DE212022000095U1 - image projection - Google Patents

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Abstract

Diffraktive Struktur, die so angeordnet ist, dass sie Licht, das durch ein Betrachtungssystem in ein Bild umgewandelt werden kann, räumlich moduliert, wobei die diffraktive Struktur so konfiguriert ist, dass sie Licht in eine Vielzahl von Hologrammkanälen leitet, wobei jeder Hologrammkanal einem anderen Teil des Bildes entspricht. Diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into an image by a viewing system, the diffractive structure being configured to direct light into a plurality of hologram channels, each hologram channel being a different part corresponds to the picture.

Description

GEBIETAREA

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildprojektion. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine diffraktive Struktur zur Bestimmung einer diffraktiven Struktur, wie z. B. ein Hologramm oder eine Kinoform. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf die Berechnung von Hologrammen in Echtzeit auf der Grundlage von Eye-Tracking-Informationen. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf die Projektion virtueller Bilder. Andere Ausführungsformen beziehen sich auf die Projektion eines realen Bildes. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf die Betrachtung eines projizierten Bildes durch einen Wellenleiter. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf eine Lichtmaschine, wie z. B. eine Bilderzeugungseinheit. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Head-up-Display.The present disclosure relates to image projection. More specifically, the present disclosure relates to a diffractive structure for determining a diffractive structure, such as. B. a hologram or a kinoform. Some embodiments relate to real-time calculation of holograms based on eye-tracking information. Some embodiments relate to projection of virtual images. Other embodiments relate to the projection of a real image. Some embodiments relate to viewing a projected image through a waveguide. Some embodiments relate to an alternator, such as. B. an imaging unit. Some embodiments relate to a head-up display.

HINTERGRUND UND EINFÜHRUNGBACKGROUND AND INTRODUCTION

Licht, das von einem Objekt gestreut wird, enthält sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen. Diese Amplituden- und Phaseninformation kann z. B. auf einer lichtempfindlichen Platte durch bekannte Interferenztechniken eingefangen werden, um eine holografische Aufzeichnung oder ein „Hologramm“ zu bilden, das Interferenzstreifen enthält. Das Hologramm kann durch Beleuchtung mit geeignetem Licht rekonstruiert werden, um eine zweidimensionale oder dreidimensionale holografische Rekonstruktion oder ein Wiedergabebild zu erzeugen, das das ursprüngliche Objekt darstellt.Light scattered by an object contains both amplitude and phase information. This amplitude and phase information can e.g. B. can be captured on a photosensitive plate by known interference techniques to form a holographic record or "hologram" containing interference fringes. The hologram can be reconstructed by illuminating it with appropriate light to produce a two-dimensional or three-dimensional holographic reconstruction or display image that represents the original object.

Bei der computergenerierten Holografie kann der Interferenzprozess numerisch simuliert werden. Ein computergeneriertes Hologramm kann mit einer Technik berechnet werden, die auf einer mathematischen Transformation wie einer Fresnel- oder Fourier-Transformation beruht. Diese Arten von Hologrammen können als Fresnel/Fourier-Transformationshologramme oder einfach als Fresnel/Fourier-Hologramme bezeichnet werden. Ein Fourier-Hologramm kann als Darstellung des Objekts im Fourier-Bereich und in der Ebene oder als Darstellung des Objekts im Frequenzbereich und in der Ebene betrachtet werden. Ein computergeneriertes Hologramm kann z. B. auch durch kohärente Strahlenverfolgung oder eine Punktwolkentechnik berechnet werden.With computer-generated holography, the interference process can be simulated numerically. A computer generated hologram can be computed using a technique based on a mathematical transform such as a Fresnel or Fourier transform. These types of holograms may be referred to as Fresnel/Fourier transform holograms or simply Fresnel/Fourier holograms. A Fourier hologram can be viewed as a representation of the object in the Fourier domain and in the plane, or as a representation of the object in the frequency domain and in the plane. A computer generated hologram can e.g. B. also be calculated by coherent ray tracing or a point cloud technique.

Ein computergeneriertes Hologramm kann auf einem räumlichen Lichtmodulator kodiert werden, der so angeordnet ist, dass er die Amplitude und/oder Phase des einfallenden Lichts moduliert. Die Lichtmodulation kann z. B. mit elektrisch adressierbaren Flüssigkristallen, optisch adressierbaren Flüssigkristallen oder Mikrospiegeln erfolgen.A computer generated hologram can be encoded on a spatial light modulator arranged to modulate the amplitude and/or phase of the incident light. The light modulation can, for. B. with electrically addressable liquid crystals, optically addressable liquid crystals or micromirrors.

Ein räumlicher Lichtmodulator umfasst in der Regel eine Vielzahl von einzeln adressierbaren Pixeln, die auch als Zellen oder Elemente bezeichnet werden können. Das Lichtmodulationsschema kann binär, mehrstufig oder kontinuierlich sein. Alternativ kann die Vorrichtung auch kontinuierlich sein (d. h. sie besteht nicht aus Pixeln), und die Lichtmodulation kann daher kontinuierlich über die Vorrichtung erfolgen. Der räumliche Lichtmodulator kann reflektierend sein, d. h., das modulierte Licht wird durch Reflexion ausgegeben. Der räumliche Lichtmodulator kann auch durchlässig sein, was bedeutet, dass das modulierte Licht in Transmission ausgegeben wird.A spatial light modulator typically includes a multiplicity of individually addressable pixels, which may also be referred to as cells or elements. The light modulation scheme can be binary, multilevel or continuous. Alternatively, the device can be continuous (i.e. not made up of pixels) and the light modulation can therefore be continuous across the device. The spatial light modulator can be reflective, i. that is, the modulated light is output by reflection. The spatial light modulator can also be transmissive, meaning that the modulated light is output in transmission.

Mit dem hier beschriebenen System kann ein holografischer Projektor bereitgestellt werden. Derartige Projektoren werden beispielsweise in Head-up-Displays (HUD) und LIDAR (Light Detection and Ranging) eingesetzt.A holographic projector can be provided with the system described here. Such projectors are used, for example, in head-up displays (HUD) and LIDAR (Light Detection and Ranging).

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen definiert.Aspects of the present disclosure are defined in the appended independent claims.

Die vorliegende Offenlegung und die Zeichnungen zeigen im Allgemeinen eindimensionale Fälle, um die Erklärung und Veranschaulichung zu erleichtern. Der Fachmann auf dem Gebiet der Optik wird jedoch verstehen, dass sich die beschriebenen und gezeigten Konzepte auf zwei Dimensionen erstrecken können, um zweidimensionale Bilder aus zweidimensionalen Hologrammen zu erzeugen. Während beispielsweise nur eine eindimensionale Pupillenerweiterung beschrieben und gezeigt wird, sollte der Leser verstehen, dass sich die vorliegende Offenbarung auf eine zweidimensionale Pupillenerweiterung erstreckt - z. B. unter Verwendung von zwei eindimensionalen Pupillenerweiterern in Reihe.The present disclosure and drawings generally show one-dimensional cases to facilitate explanation and illustration. However, those skilled in the optical arts will understand that the concepts described and shown can extend to two dimensions to create two-dimensional images from two-dimensional holograms. For example, while only one-dimensional pupillary dilation is described and shown, the reader should understand that the present disclosure extends to two-dimensional pupillary dilation - e.g. B. using two one-dimensional pupil dilators in series.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildprojektion. Sie bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Bildprojektion und einen Bildprojektor, der eine Anzeigevorrichtung umfasst. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Projektionssystem, das den Bildprojektor und ein Betrachtungssystem umfasst. Die vorliegende Offenbarung ist gleichermaßen auf ein monokulares und binokulares Betrachtungssystem anwendbar. Das Betrachtungssystem kann ein Auge oder Augen des Betrachters umfassen. Das Betrachtungssystem umfasst ein optisches Element mit optischer Leistung (z. B. Linse(n) des menschlichen Auges) und eine Betrachtungsebene (z. B. die Netzhaut des menschlichen Auges/der menschlichen Augen). Der Projektor kann als „Lichtmaschine“ bezeichnet werden. Das Anzeigegerät und das mit dem Anzeigegerät erzeugte (oder wahrgenommene) Bild sind räumlich voneinander getrennt. Das Bild wird auf einer Anzeigeebene erzeugt bzw. von einem Betrachter wahrgenommen. In einigen Ausführungsformen ist das Bild ein virtuelles Bild und die Anzeigeebene kann als virtuelle Bildebene bezeichnet werden. Das Bild wird durch die Beleuchtung eines diffraktiven Musters (z. B. eines Hologramms) erzeugt, das auf der Anzeigevorrichtung angezeigt wird. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf die Bereitstellung (z. B. Berechnung) eines diffraktiven Musters für die Bildprojektion und auf das diffraktive Muster.The present disclosure relates to image projection. It also relates to an image projection method and an image projector comprising a display device. The present disclosure also relates to a projection system including the image projector and a viewing system. The present disclosure is equally applicable to a monocular and binocular viewing system. The viewing system may include an eye or eyes of the viewer. The viewing system includes an optical element with optical power (e.g., human eye lens(es)) and a viewing plane (e.g., the retina of the human eye(s)). The projector can be referred to as an "alternator". The display device and the image produced (or perceived) by the display device are spatially separated from one another. The image is generated or perceived by a viewer on a display plane. In some embodiments, the image is a virtual image and the display plane may be referred to as a virtual image plane. The image is created by illuminating a diffractive pattern (e.g., a hologram) that is displayed on the display device. The present disclosure further relates to providing (e.g., computing) a diffractive pattern for image projection and to the diffractive pattern.

Die Anzeigevorrichtung umfasst Pixel. Die Pixel des Anzeigegeräts beugen das Licht. Gemäß der bekannten Optik wird die Größe des maximalen Beugungswinkels durch die Größe der Pixel (und andere Faktoren wie die Wellenlänge des Lichts) bestimmt.The display device includes pixels. The pixels of the display device bend the light. According to known optics, the size of the maximum diffraction angle is determined by the size of the pixels (and other factors such as the wavelength of the light).

In bestimmten Ausführungsformen ist die Anzeigevorrichtung ein räumlicher Lichtmodulator, z. B. ein räumlicher Lichtmodulator (SLM) mit Flüssigkristallen auf Silizium („LCOS“). Das Licht breitet sich über einen Bereich von Beugungswinkeln (z. B. von Null bis zum maximalen Beugungswinkel) vom LCOS zu einer Betrachtungseinheit/einem System wie einer Kamera oder einem Auge aus. In einigen Ausführungsformen können Vergrößerungstechniken eingesetzt werden, um den Bereich der verfügbaren Beugungswinkel über den herkömmlichen maximalen Beugungswinkel eines LCOS hinaus zu vergrößern.In certain embodiments, the display device is a spatial light modulator, e.g. B. a spatial light modulator (SLM) with liquid crystals on silicon (“LCOS”). The light propagates through a range of diffraction angles (e.g., from zero to maximum diffraction angle) from the LCOS to a viewing device/system such as a camera or an eye. In some embodiments, augmentation techniques may be employed to increase the range of available diffraction angles beyond the conventional maximum diffraction angle of an LCOS.

In einigen Fällen ist das Bild ein reales Bild. In anderen Ausführungsformen ist das Bild ein virtuelles Bild, das von einem menschlichen Auge (oder Augen) wahrgenommen wird. Das Projektionssystem oder die Lichtmaschine kann so konfiguriert sein, dass der Betrachter direkt auf die Anzeigevorrichtung blickt. In solchen Fällen wird das mit dem Hologramm kodierte Licht direkt zum Auge bzw. zu den Augen weitergeleitet. Dieses Licht kann als „räumlich moduliertes“ oder „holografisches Licht“ bezeichnet werden. In solchen Fällen gibt es keine zwischengeschaltete holografische Rekonstruktion, weder im freien Raum noch auf einem Bildschirm oder einer anderen lichtempfindlichen Oberfläche, zwischen der Anzeigevorrichtung und dem Betrachter. In solchen Ausführungsformen kann die Pupille des Auges als Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems und die Netzhaut des Auges als Betrachtungsebene des Betrachtungssystems betrachtet werden. Manchmal wird gesagt, dass in dieser Konfiguration die Linse des Auges eine Hologramm-Bild-Umwandlung vornimmt.In some cases the image is a real image. In other embodiments, the image is a virtual image seen by a human eye (or eyes). The projection system or light engine can be configured so that the viewer looks directly at the display device. In such cases, the light coded with the hologram is transmitted directly to the eye or eyes. This light can be referred to as "spatially modulated" or "holographic light". In such cases there is no intermediary holographic reconstruction, either in free space or on a screen or other photosensitive surface, between the display device and the viewer. In such embodiments, the pupil of the eye can be considered the entrance aperture of the viewing system and the retina of the eye can be considered the viewing plane of the viewing system. It is sometimes said that in this configuration the lens of the eye performs a hologram-to-image conversion.

Gemäß den Grundsätzen der bekannten Optik variiert der Bereich der Lichtwinkel, der von einem Anzeigegerät oder Sichtfenster ausgeht und von einem Auge oder einem anderen Betrachter/System gesehen werden kann, mit dem Abstand zwischen dem Anzeigegerät und dem Betrachter. Bei einem Betrachtungsabstand von 1 Meter kann sich beispielsweise nur ein kleiner Winkelbereich eines LCOS durch die Pupille des Auges ausbreiten, um bei einer bestimmten Augenposition ein Bild auf der Netzhaut zu erzeugen. Der Winkelbereich der von der Anzeigevorrichtung ausgehenden Lichtstrahlen, die die Pupille des Auges erfolgreich durchdringen können, um bei einer bestimmten Augenposition ein Bild auf der Netzhaut zu erzeugen, bestimmt den Teil des Bildes, der für den Betrachter „sichtbar“ ist. Mit anderen Worten: Nicht alle Teile des Bildes sind von einem beliebigen Punkt auf der Betrachtungsebene aus sichtbar (z. B. von einer beliebigen Augenposition innerhalb eines Betrachtungsfensters wie einer Eye-Motion-Box).In accordance with principles of known optics, the range of angles of light emanating from a display device or viewing window that can be seen by an eye or other viewer/system varies with the distance between the display device and the viewer. For example, at a viewing distance of 1 meter, only a small angular range of an LCOS can propagate through the pupil of the eye to form an image on the retina at a given eye position. The angular range of light rays emanating from the display device that can successfully penetrate the pupil of the eye to form an image on the retina at a given eye position determines the portion of the image that is "visible" to the viewer. In other words, not all parts of the image are visible from any point on the viewing plane (e.g. from any eye position within a viewing window such as an eye-motion box).

In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem vom Betrachter wahrgenommenen Bild um ein virtuelles Bild, das vor dem Anzeigegerät erscheint, d. h. der Betrachter nimmt das Bild als weiter von ihm entfernt wahr als das Anzeigegerät. Konzeptionell ist es möglich, eine Vielzahl verschiedener virtueller Bildpunkte eines virtuellen Bildes zu betrachten. Der Abstand zwischen einem virtuellen Punkt und dem Betrachter wird hier als virtueller Bildabstand für diesen virtuellen Bildpunkt bezeichnet. Unterschiedliche virtuelle Punkte können natürlich auch unterschiedliche virtuelle Bildabstände haben. Einzelne Lichtstrahlen innerhalb von Strahlenbündeln, die jedem virtuellen Punkt zugeordnet sind, können jeweils unterschiedliche optische Wege zum Betrachter über die Anzeigevorrichtung nehmen. Es kann jedoch sein, dass sich nur einige Teile der Anzeigevorrichtung und damit nur einige der Strahlen von einem oder mehreren virtuellen Punkten eines virtuellen Bildes im Sichtfeld des Benutzers befinden. Mit anderen Worten, nur ein Teil der Lichtstrahlen von einigen der virtuellen Punkte des virtuellen Bildes gelangt über die Anzeigevorrichtung in das Auge bzw. die Augen des Benutzers und ist somit für den Betrachter sichtbar. Konzeptionell kann man also davon ausgehen, dass der Betrachter ein virtuelles Bild durch ein „Fenster in der Größe des Anzeigegeräts“ betrachtet, das sehr klein sein kann, z. B. 1 cm im Durchmesser, und sich in einer relativ großen Entfernung befindet, z. B. 1 Meter. Und der Benutzer sieht das Fenster in der Größe des Anzeigegeräts durch die Pupille(n) seines Auges, die ebenfalls sehr klein sein kann. Dementsprechend wird das Sichtfeld klein und der spezifische Winkelbereich, der gesehen werden kann, hängt stark von der jeweiligen Augenposition ab.In some embodiments, the image perceived by the viewer is a virtual image appearing in front of the display device, i. H. the viewer perceives the image as being further away from him than the display device. It is conceptually possible to view a large number of different virtual pixels of a virtual image. The distance between a virtual point and the viewer is referred to here as the virtual image distance for this virtual pixel. Different virtual points can of course also have different virtual image distances. Individual light rays within bundles of rays that are assigned to each virtual point can each take different optical paths to the viewer via the display device. However, only some parts of the display device and thus only some of the rays from one or more virtual points of a virtual image may be in the user's field of view. In other words, only part of the light rays from some of the virtual points of the virtual image reach the user's eye or eyes via the display device and are thus visible to the viewer. So, conceptually, the viewer is looking at a virtual image through a "display device-sized window" which can be very small, e.g. 1 cm in diameter and at a relatively large distance, e.g. B. 1 meter. And the user sees the display device-sized window through the pupil(s) of his eye, which can also be very small. Accordingly, the field of view becomes small and the specific range of angles that can be seen is highly dependent on the particular eye position.

Oft ist es wünschenswert, dass ein optisches System physisch klein ist - zum Beispiel, wenn es an einem Ort eingesetzt wird, an dem nur wenig Platz zur Verfügung steht und/oder der Wert einer Immobilie hoch ist. Physikalische Beschränkungen sind jedoch in der Regel mit funktionellen Einschränkungen verbunden. So ist bei herkömmlichen optischen Systemen die Verwendung eines kleinen Anzeigegeräts in der Regel mit einem begrenzten Sichtfeld (FOV) verbunden, wodurch die Sichtbarkeit der Bilder eingeschränkt wird. Die vorliegende Offenlegung befasst sich mit dem technischen Problem, wie das Sichtfeld vergrößert werden kann - d. h. wie der Bereich der Winkel der Lichtstrahlen vergrößert werden kann, die sich von der Anzeigevorrichtung ausbreiten und die erfolgreich durch die Pupille eines Auges hindurchgehen können, um ein Bild zu erzeugen - wenn die Anzeigevorrichtung (relativ gesehen) klein und der Projektionsabstand (relativ gesehen) groß ist. In einigen Ausführungsformen ist die Projektionsdistanz mindestens eine - z. B. mindestens zwei - Größenordnungen größer als der Durchmesser oder die Breite der Apertur der Anzeigevorrichtung (d. h. die Größe der Pixelanordnung). Genauer gesagt geht es bei der vorliegenden Offenlegung um das technische Problem, wie dies mit der so genannten Direktsicht-Holografie zu bewerkstelligen ist, bei der ein Hologramm eines Bildes an das menschliche Auge weitergegeben wird und nicht das Bild selbst. Mit anderen Worten: Das vom Betrachter empfangene Licht ist „holografisches Licht“, das entsprechend einem Hologramm des Bildes räumlich moduliert wurde.It is often desirable for an optical system to be physically small - for example, when deployed in a location where space is at a premium and/or real estate value is high. However, physical limitations are usually associated with functional limitations. For example, with traditional optical systems, the use of a small display device usually comes with a limited field of view (FOV), which limits the visibility of the images. The present disclosure addresses the technical problem of how to increase the field of view - ie how to increase the range of angles of light rays that propagate from the display device and that can successfully pass through the pupil of an eye to form an image generate - when the display device is small (relatively speaking) and the projection distance is (relatively speaking) large. In some embodiments, the projection distance is at least one - e.g. B. at least two orders of magnitude larger than the diameter or width of the aperture of the display device (ie the size of the pixel array). More specifically, the present disclosure addresses the technical problem of how to do this with what is known as direct view holography, in which a hologram of an image is presented to the human eye and not the image itself The light received by the viewer is "holographic light" that has been spatially modulated according to a hologram of the image.

Eine Pupillenerweiterung wird verwendet, um das Sichtfeld zu vergrößern und damit die maximale Ausbreitungsdistanz zu erhöhen, über die der volle Beugungswinkel der Anzeigevorrichtung genutzt werden kann. Die Verwendung eines Hohlleiters kann auch den seitlichen Augenraum des Benutzers vergrößern, so dass eine gewisse Bewegung des Auges/der Augen möglich ist, während der Benutzer das Bild weiterhin sehen kann. In einigen Ausführungsformen ist die Pupillenerweiterung eine Wellenleiter-Pupillenerweiterung. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen (aber nicht ausschließlich) auf nicht unendliche virtuelle Bildabstände, d. h. auf virtuelle Bilder im Nahbereich.Pupillary dilation is used to increase the field of view, thereby increasing the maximum propagation distance over which the full diffraction angle of the display device can be used. The use of a waveguide can also increase the user's lateral eye space, allowing some movement of the eye(s) while still allowing the user to see the image. In some embodiments, the pupil dilation is a waveguide pupil dilation. The present disclosure relates generally (but not exclusively) to non-infinite virtual image distances; H. to virtual images at close range.

Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass bei der konventionellen Holografie für einen nicht unendlichen virtuellen Bildabstand - also für virtuelle Nahfeldbilder - sogenannte „Geisterbilder“ auftreten. Dies kann durch die verschiedenen möglichen Lichtausbreitungswege durch den Wellenleiter verursacht werden. Ein Geisterbild ist eine Nachbildung eines Hauptbildes mit geringerer Intensität. Das Hauptbild mit der höchsten Intensität kann als Primärbild bezeichnet werden. Jedes Geisterbild kann als Sekundärbild bezeichnet werden. Das Vorhandensein von Geisterbildern kann die Qualität eines wahrgenommenen virtuellen Bildes erheblich beeinträchtigen. Die Geisterbilder können den Eindruck erwecken, dass das Hauptbild verschwommen ist.The present inventors have established that so-called “ghost images” occur in conventional holography for a non-infinite virtual image distance—that is, for virtual near-field images. This can be caused by the different possible light propagation paths through the waveguide. A ghost image is a lower intensity replica of a main image. The main image with the highest intensity can be referred to as the primary image. Each ghost image can be referred to as a secondary image. The presence of ghost images can significantly degrade the quality of a perceived virtual image. The ghosting can give the impression that the main image is blurry.

Aspekte der vorliegenden Offenlegung beziehen sich auf verschiedene Ansätze zur Lösung von Problemen, die durch Geisterbilder verursacht werden. Einige der hier offengelegten Lösungen haben sich als erfolgreich erwiesen, um Geisterbilder zu entfernen oder ihre Entstehung zu verhindern. Einige hierin offengelegte Lösungen haben gezeigt, dass sie das Geisterbild modifizieren/manipulieren, um das primäre/nicht-Geisterbild zu verbessern oder zu verstärken.Aspects of the present disclosure relate to various approaches to solving problems caused by ghosting. Some of the solutions disclosed here have proven successful in removing or preventing ghosting. Some solutions disclosed herein have been shown to modify/manipulate the sprite to enhance or enhance the primary/non-sprite.

Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist eine Lichtmaschine so angeordnet, dass sie ein Betrachtungssystem mit einer Eintrittspupille mit räumlich moduliertem Licht versorgt. Das Anzeigesystem umfasst eine Anzeigevorrichtung, die so beschaffen ist, dass sie ein Hologramm anzeigt und Licht in Übereinstimmung mit dem Hologramm räumlich moduliert. Das Anzeigesystem umfasst ferner eine Hologramm-Engine, die so beschaffen ist, dass sie ein Hologramm zur Anzeige auf der Anzeigevorrichtung ausgibt, um es dem Betrachtungssystem zu ermöglichen, ein Bild eines Zielbildes oder -objektes an einem bestimmten Ort zu sehen oder wahrzunehmen. Es ist eine Pupillenerweiterung vorgesehen, die in Bezug auf die Anzeigevorrichtung angeordnet werden kann, um sicherzustellen, dass das Betrachtungssystem Licht empfängt, das dem gesamten Bild entspricht (d. h., um das maximale Sichtfeld bereitzustellen), ohne dass die Position der Eintrittspupille verändert werden muss.In accordance with aspects of the present disclosure, an alternator is arranged to provide spatially modulated light to a viewing system having an entrance pupil. The display system includes a display device arranged to display a hologram and spatially modulate light in accordance with the hologram. The display system further includes a hologram engine arranged to output a hologram for display on the display device to enable the viewing system to see or perceive an image of a target image or object at a particular location. A pupil dilator is provided which can be positioned with respect to the display device to ensure that the viewing system receives light that corresponds to the entire image (i.e. to provide the maximum field of view) without having to change the position of the entrance pupil.

Es wird hier ein Verfahren zur Bestimmung einer diffraktiven Struktur eines Bildes für ein System offenbart, das eine Anzeigevorrichtung und ein Betrachtungssystem umfasst. Die diffraktive Struktur kann ein Hologramm sein, und der Begriff „Hologramm“ wird im Folgenden nur als Beispiel für eine diffraktive Struktur gemäß dieser Offenbarung verwendet. Bei der diffraktiven Struktur kann es sich um ein komplexes Hologramm, ein reines Phasenhologramm oder eine Kinoform handeln. Die Anzeigevorrichtung ist so angeordnet, dass sie das Hologramm anzeigt. Das Betrachtungssystem ist so angeordnet, dass das Hologramm durch eine Pupillenerweiterung betrachtet wird. Der Pupillenexpander stellt eine Vielzahl von Lichtausbreitungswegen von der Anzeigevorrichtung zum Betrachtungssystem bereit.A method for determining a diffractive structure of an image for a system comprising a display device and a viewing system is disclosed herein. The diffractive structure can be a hologram, and the term "hologram" is used below only as an example for a diffractive structure according to this disclosure. The diffractive structure can be a complex hologram, a pure phase hologram, or a kinoform. The display device is arranged to display the hologram. The viewing system is arranged so that the hologram is viewed through a dilated pupil. The pupil expander provides a variety of light propagation paths from the display device to the viewing system.

Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird ein Hologramm bereitgestellt (z. B. berechnet), das eine Anzeigevorrichtung, auf der das Hologramm angezeigt wird, veranlasst, bei geeigneter Beleuchtung Kanäle mit räumlich moduliertem Licht auszugeben. Zumindest in einigen Anordnungen entspricht jeder Kanal einem entsprechenden zusammenhängenden Bereich des Bildes, das durch das Hologramm dargestellt wird. Jeder Kanal kann einem anderen zusammenhängenden Teil oder Bereich des Bildes entsprechen, so dass die Kanäle zusammen ein holografisches Licht des gesamten Bildes ergeben. Zwischen der Anzeigevorrichtung und einem Betrachtungssystem kann ein Pupillenerweiterer vorgesehen sein, der so angeordnet ist, dass er jeden Kanal auf eine Eingangsöffnung des Betrachtungssystems lenkt. Es kann davon ausgegangen werden, dass jeder Kanal eine eindeutige Mittelachse hat, die eine primäre (oder „Kern“-) Bewegungsrichtung dieses Kanals in Bezug auf die Anzeigevorrichtung definiert, beispielsweise in Bezug auf einen zentralen Punkt oder einen anderen Referenzpunkt auf einer lichtemittierenden Fläche der Anzeigevorrichtung. Der Leser wird daher verstehen, dass jeder Kanal durch eine Achse gekennzeichnet sein kann, die als optische Achse oder Ausbreitungsachse des Kanals betrachtet werden kann. Jede Achse kann durch einen eindeutigen Winkel in Bezug auf die Normale der Anzeigevorrichtung gekennzeichnet sein. Jede Achse kann eine gerade Linie sein, die den Mittelpunkt der Anzeigevorrichtung (oder des Hologramms) mit dem Mittelpunkt der Beleuchtungsfläche oder des Lichtmusters des Kanals (d. h. dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Lichtkanals) verbindet.According to aspects of the present disclosure, there is provided (e.g., computed) a hologram that includes a display device on which the hologram is displayed causes channels of spatially modulated light to be output under appropriate lighting. In at least some arrangements, each channel corresponds to a respective contiguous area of the image represented by the hologram. Each channel can correspond to a different contiguous part or area of the image, so that together the channels result in a holographic light of the entire image. A pupil dilator may be provided between the display device and a viewing system, arranged to direct each channel to an input aperture of the viewing system. It can be assumed that each channel has a unique central axis that defines a primary (or "core") direction of movement of that channel with respect to the display device, for example with respect to a central point or other reference point on a light-emitting surface of the display device. The reader will therefore understand that each channel may be characterized by an axis which may be considered the channel's optical or propagation axis. Each axis may be characterized by a unique angle with respect to the normal of the display device. Each axis may be a straight line connecting the center of the display (or hologram) to the center of the illuminated area or light pattern of the channel (ie, the center of the cross-sectional area of the light channel).

Die Querschnittsfläche eines oder mehrerer der Kanäle kann eine Größe und/oder Form haben, die der Größe und/oder Form der Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems entspricht. Wenn die Eintrittsöffnung beispielsweise ein menschliches Auge ist, können die Kanäle einen im Wesentlichen elliptischen oder ovalen Querschnitt haben. In Ausführungsformen, die Hologrammberechnungen beinhalten, kann der Berechnungsprozess die Begrenzung oder das Zuschneiden des Hologramms in Übereinstimmung mit der Größe und/oder Form der Eintrittsöffnung und/oder in Übereinstimmung mit der Größe und/oder Form der Anzeigevorrichtung umfassen.The cross-sectional area of one or more of the channels may be of a size and/or shape corresponding to the size and/or shape of the entrance aperture of the viewing system. For example, if the entry port is a human eye, the channels may have a substantially elliptical or oval cross-section. In embodiments involving hologram calculations, the calculation process may include clipping or cropping the hologram according to the size and/or shape of the entrance aperture and/or according to the size and/or shape of the display device.

In einigen Fällen gibt es keine Überschneidungen zwischen den Kanälen in Bezug auf den Bildinhalt. In anderen Ausführungsformen überschneiden sich die Kanäle hinsichtlich des Bildinhalts. Diese Überlappung ist teilweise und relativ gering. Zum Beispiel können zwei benachbarte Kanäle beide Informationen über denselben Teil des Bildes enthalten. Man kann also sagen, dass sich die Kanäle teilweise überschneiden können - in Bezug auf den Bildinhalt / die Raumwinkel im Sichtfeld.In some cases there is no overlap between the channels in terms of image content. In other embodiments, the channels overlap in terms of image content. This overlap is partial and relatively small. For example, two adjacent channels may both contain information about the same part of the picture. So it can be said that the channels can partially overlap - in terms of image content / solid angles in the field of view.

Es ist möglich, Kanäle in Form von Winkeln im Sichtfeld zu charakterisieren. Diese Winkel können von der Normalen der Anzeigevorrichtung/des Hologramms aus gemessen werden. Jeder Kanal kann durch zwei Winkel charakterisiert werden - zum Beispiel einen ersten Winkel auf einer xz-Ebene und einen zweiten Winkel auf einer yz-Ebene, wobei die z-Richtung senkrecht zur Anzeigevorrichtung / zum Hologramm verläuft und die allgemeine Lichtausbreitungsrichtung vom Hologramm darstellt. Die x-Richtung kann die horizontale und die y-Richtung die vertikale sein. So kann beispielsweise in der x-Richtung (horizontales Sichtfeld) ein erster Kanal dem Winkelbereich 0 bis +4 Grad und ein zweiter Winkel dem Bereich +3 bis +7 Grad entsprechen. In diesem Beispiel besteht eine Überlappung von 1 Grad. In diesem Beispiel enthalten sowohl der erste Kanal als auch der zweite Kanal Informationen über den Winkelinhalt des Bildes oder die Winkel des horizontalen Sichtfeldes im Bereich von +3 bis +4 Grad. Beide Kanäle enthalten natürlich zusätzliche Informationen. Die Überlappung ist relativ gering - zum Beispiel nicht mehr als 25 % des Winkelbereichs, der jedem Kanal zugeordnet ist, z. B. nicht mehr als 10 %.It is possible to characterize channels in terms of angles in the field of view. These angles can be measured from the normal of the display device/hologram. Each channel can be characterized by two angles - for example a first angle on an xz plane and a second angle on a yz plane, where the z direction is perpendicular to the display device/hologram and represents the general direction of light propagation from the hologram. The x-direction can be horizontal and the y-direction can be vertical. For example, in the x-direction (horizontal field of view), a first channel can correspond to the angle range 0 to +4 degrees and a second angle to the range +3 to +7 degrees. In this example there is a 1 degree overlap. In this example, both the first channel and the second channel contain information about the angular content of the image, or the angles of the horizontal field of view, ranging from +3 to +4 degrees. Of course, both channels contain additional information. The overlap is relatively small - for example no more than 25% of the angular range allocated to each channel, e.g. B. not more than 10%.

In einigen Ausführungsformen ist die Größe des gesamten Winkelbereichs (nicht nur des sich überschneidenden Winkelbereichs), der jedem Kanal zugeordnet ist, gleich groß. In anderen Ausführungsformen ist die Größe des Winkelbereichs, der einem Winkelkanal zugeordnet ist, unterschiedlich zu der eines anderen.In some embodiments, the size of the entire angular range (not just the intersecting angular range) associated with each channel is the same. In other embodiments, the size of the angular range associated with one angular channel is different than another.

Es wird hier ein Verfahren zur Berechnung eines Hologramms eines Bildes offenbart, wobei das Verfahren mindestens einen Schritt umfasst, der das Zuschneiden in Übereinstimmung mit der Eintrittspupille des Betrachtungssystems einschließt, um ein Hologramm zu bilden, das, wenn es beleuchtet wird, räumlich moduliertes Licht bildet, wobei kontinuierliche Lichtkanäle des räumlich modulierten Lichts kontinuierlichen Bereichen des Bildes entsprechen. Ein kontinuierlicher Lichtkanal kann durch einen kontinuierlichen Bereich von Lichtstrahlwinkeln des räumlich modulierten Lichts definiert sein. Alle Pixel des Hologramms tragen zu jedem Kanal bei, so dass Lichtstrahlen, die zu jedem Kanal beitragen, von mehreren verschiedenen Pixeln der Anzeigevorrichtung, auf der das Hologramm angezeigt und beleuchtet wird, ausgesandt werden können. Diese Lichtstrahlen verbinden sich zu einem kontinuierlichen Kanal, wobei jeder Kanal eine eindeutige jeweilige primäre Ausbreitungsrichtung relativ zur Anzeigevorrichtung hat. Für jeden Kanal kann ein Kern oder eine Achse in der Ausbreitungsrichtung definiert werden. Für jedes einzelne Hologramm-Pixel wird das Licht der verschiedenen Kanäle in unterschiedlichen Winkeln von diesem Pixel abgegeben.There is disclosed herein a method of computing a hologram of an image, the method comprising at least one step including cropping in accordance with the entrance pupil of the viewing system to form a hologram which, when illuminated, forms spatially modulated light , where continuous light channels of the spatially modulated light correspond to continuous regions of the image. A continuous light channel can be defined by a continuous range of light beam angles of the spatially modulated light. All pixels of the hologram contribute to each channel, so light rays contributing to each channel can be emitted from several different pixels of the display device on which the hologram is displayed and illuminated. These light rays combine into a continuous channel, each channel having a unique respective primary direction of propagation relative to the display device. For each channel a core or an axis in the direction of propagation can be defined. For each individual hologram pixel, the light of the different channels is emitted from this pixel at different angles.

Jeder kontinuierliche Lichtkanal des räumlich modulierten Lichts entspricht einem entsprechenden kontinuierlichen Bereich des Bildes. Das räumlich modulierte Licht kann in eine beliebige Anzahl von kontinuierlichen Lichtkanälen unterteilt werden. In einigen Ausführungsformen sind die Lichtkanäle nicht überlappend. In anderen Ausführungsformen - z. B. solchen, die zusätzlich einen optischen Kombinator mit optischer Leistung (z. B. eine Fahrzeugwindschutzscheibe) zwischen dem Wellenleiter und dem Betrachter enthalten - können sich einige Lichtkanäle zumindest teilweise überlappen. Das hier offengelegte Verfahren bestimmt eine diffraktive Struktur, die so angeordnet ist, dass sie Licht räumlich moduliert, das von einem Betrachtungssystem in ein Bild umgewandelt werden kann, wobei die diffraktive Struktur so konfiguriert ist, dass sie Licht in eine Vielzahl von Hologrammkanälen leitet, wobei jeder Hologrammkanal einem anderen Teil des Bildes entspricht.Each continuous light channel of spatially modulated light corresponds to a corresponding continuous region of the image. The spatially modulated light can be divided into any number of continuous light channels. In some embodiments, the light channels are non-overlapping. In other embodiments - e.g. e.g. those additionally including an optical combiner with optical power (e.g. a vehicle windscreen) between the waveguide and the viewer - some light channels may at least partially overlap. The method disclosed herein defines a diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into an image by a viewing system, the diffractive structure being configured to direct light into a plurality of hologram channels, where each hologram channel corresponds to a different part of the image.

Zur Klarstellung: Das vom Betrachter erzeugte oder wahrgenommene Bild ist eine holografische Rekonstruktion eines Zielbildes. Die holografische Rekonstruktion wird aus einem Hologramm auf der Grundlage des Zielbildes gebildet. In einigen Ausführungsformen wird das Hologramm aus dem Zielbild bestimmt (z. B. berechnet).For clarification, the image produced or perceived by the viewer is a holographic reconstruction of a target image. The holographic reconstruction is formed from a hologram based on the target image. In some embodiments, the hologram is determined (e.g., calculated) from the target image.

Das Hologramm kann mit jeder geeigneten Technik berechnet werden. Mehrere mögliche Hologramm-Berechnungstechniken werden hier offengelegt, die vorliegende Offenlegung ist jedoch nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann das Hologramm mit Hilfe einer Modellierungstechnik, z. B. einer Strahlenverfolgungstechnik, wie einer so genannten „Punktwolken“-Hologrammberechnungstechnik, berechnet werden. In solchen Ausführungsformen kann die Hologrammmaschine so eingerichtet sein, dass sie Beitragsinformationen empfängt, die beitragende und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung auf der Grundlage der Position der Eintrittspupille identifizieren. Die beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung propagieren im Wesentlichen das Licht, das durch die Eintrittspupille an der bestimmten Stelle hindurchgeht. Die nicht beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung verbreiten im Wesentlichen das Licht, das von der Eintrittspupille an der bestimmten Stelle aufgehalten wird. Die Beitragsinformation identifiziert ferner (i) mindestens einen primären beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung, der Licht zum Betrachtungssystem ausbreitet und zu einem primären Bild beiträgt, und (ii) mindestens einen sekundären beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung, der Licht zum Betrachtungssystem ausbreitet und zu einem sekundären Bild beiträgt. Die Hologramm-Maschine ist ferner so eingerichtet, dass sie ein Hologramm auf der Grundlage des mindestens einen primären beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung bestimmt, der von der Verarbeitungsmaschine identifiziert wurde. Die Hologramm-Maschine ist ferner so eingerichtet, dass sie das Hologramm zur Anzeige an die Anzeigevorrichtung ausgibt.The hologram can be calculated using any suitable technique. Several possible hologram calculation techniques are disclosed here, but the present disclosure is not limited to the examples given. In some embodiments, the hologram may be modeled using a modeling technique, e.g. B. a ray tracing technique, such as a so-called "point cloud" hologram computation technique. In such embodiments, the hologram engine may be configured to receive contribution information identifying contributing and non-contributing areas of the display device based on the position of the entrance pupil. The contributing areas of the display essentially propagate the light that passes through the entrance pupil at the particular location. The non-contributing areas of the display essentially spread the light stopped by the entrance pupil at the particular location. The contribution information also identifies (i) at least one primary contributing area of the display device that propagates light to the viewing system and contributes to a primary image, and (ii) at least one secondary contributing area of the display device that propagates light to the viewing system and contributes to a secondary image . The hologram engine is further configured to determine a hologram based on the at least one primary contributing area of the display identified by the processing engine. The hologram engine is further arranged to output the hologram to the display device for display.

Durch die Identifizierung von beitragenden und nicht beitragenden Bereichen der Anzeigevorrichtung kann die Lichteinrichtung bestimmen, welcher Teil oder welche Teile der Anzeigevorrichtung sinnvollerweise durch das Hologramm kodiert werden können, um positiv zur Bildung des Primärbildes beizutragen, und zwar für eine bestimmte Position der Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems. Dies kann zum Beispiel der Position des Auges des Betrachters zu einem bestimmten Zeitpunkt entsprechen. Darüber hinaus kann das Beleuchtungssystem feststellen, welche Teile der Anzeigevorrichtung kein Licht durch die Eintrittsöffnung durchlassen können und daher nicht mit Hologrammwerten gefüllt werden sollten. Darüber hinaus kann das Beleuchtungsprogramm zwischen Teilen der Anzeigevorrichtung, die positiv zu einem „Haupt“-Zielbild beitragen, und Teilen, die zu einer Kopie/Replik oder „Geister“-Version des Hauptbildes beitragen, unterscheiden. So kann das Hologramm in so genannten sekundären Bereichen weggelassen werden, um die Geisterbilder zu eliminieren.By identifying contributing and non-contributing areas of the display, the lighting device can determine which part or parts of the display can usefully be encoded by the hologram to positively contribute to the formation of the primary image, for a particular position of the entrance aperture of the viewing system. This can, for example, correspond to the position of the viewer's eye at a certain point in time. In addition, the illumination system can determine which parts of the display device cannot transmit light through the entrance aperture and therefore should not be filled with hologram values. In addition, the lighting program can distinguish between parts of the display device that contribute positively to a "main" target image and parts that contribute to a copy/replica or "ghost" version of the main image. In this way, the hologram can be omitted in so-called secondary areas in order to eliminate the ghost images.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass das in einem zusätzlichen Bereich angezeigte Hologramm auf der Grundlage einer verschobenen oder geänderten Position eines Bildpunktes (d. h. eines Punktes innerhalb eines gewünschten Bildes, das holografisch rekonstruiert werden soll) bestimmt werden kann. Diese geänderte Position kann als „sekundärer Bildpunkt“ bezeichnet werden, aber das ist eine Abkürzung dafür, dass es sich um eine sekundäre (d. h. geänderte) Position des (primären) Bildpunktes handelt. Kurz gesagt kann eine modellierte/berechnete Position eines Bildpunktes geändert (z. B. auf einer Bildebene verschoben) werden, so dass Licht, das sich von der geänderten Position über den zusätzlichen Bereich auf der Anzeigevorrichtung ausbreitet, an einer gewünschten Position auf einer Betrachtungsebene ankommt, um das primäre Bild effektiv zu verstärken. Daher wird bei diesem alternativen Ansatz das Hologramm für den zusätzlichen beitragenden Bereich auf der Grundlage einer anderen Position des Bildpunkts als derjenigen bestimmt, die zur Identifizierung eines primären beitragenden Bereichs auf der Anzeigevorrichtung verwendet wird. Die optische Weglänge vom primären Bildpunkt unterscheidet sich typischerweise von der optischen Weglänge vom sekundären Bildpunkt zum entsprechenden Bild, das auf der Betrachtungsebene erzeugt wird. Man kann also sagen, dass der Hologramm-Bestimmungsprozess in Bezug auf den zusätzlichen beitragenden Bereich eine Verschiebung oder ein Verschieben des Bildpunktes umfasst, der in dem Hologramm-Bestimmungsprozess verwendet wird.A further improvement is that the hologram displayed in an additional area can be determined based on a shifted or changed position of a pixel (ie a point within a desired image to be holographically reconstructed). This changed position may be referred to as a "secondary pixel", but that is shorthand for saying that it is a secondary (ie changed) position of the (primary) pixel. In short, a modeled/calculated position of a pixel can be changed (e.g., shifted on an image plane) such that light propagating from the changed position over the additional area on the display device arrives at a desired position on a viewing plane to effectively boost the primary image. Therefore, in this alternative approach, the hologram for the additional contributing area is determined based on a different position of the pixel than that used to identify a primary contributing area on the display device. The optical path length from the primary pixel typically differs from the optical path length from the secondary pixel to the corresponding image created at the viewing plane. Thus, the hologram determination process can be said to be a shift or ver shifting the pixel used in the hologram determination process.

Auf diese Weise wird ein intelligentes und effizientes Lichtsystem bereitgestellt, das so konfiguriert und betrieben werden kann, dass es scharfe, genaue Bilder liefert, die Hologrammen entsprechen, die auf eine rationelle und rechnerisch effiziente Weise ermittelt wurden.In this way, an intelligent and efficient lighting system is provided that can be configured and operated to provide sharp, accurate images corresponding to holograms that have been determined in a rational and computationally efficient manner.

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms zur Anzeige auf einer Anzeigevorrichtungoffebart. Das Verfahren umfasst das Bestimmen des Ortes der Eintrittspupille eines Betrachtungssystems, das zum Betrachten des Hologramms angeordnet ist, und das Identifizieren von beitragenden Bereichen und nicht beitragenden Bereichen der Anzeigevorrichtung, wobei die beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen Licht ausbreiten, das durch die Eintrittspupille des Betrachtungssystems an dem bestimmten Ort hindurchgeht, und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen Licht ausbreiten, das durch die Eintrittspupille des Betrachtungssystems an dem bestimmten Ort aufgehalten wird. Das Verfahren umfasst ferner das Identifizieren mindestens eines primär beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung, der Licht liefert, das zu einem primären Bild beiträgt, und mindestens eines sekundär beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung, der Licht liefert, das zu einem sekundären Bild beiträgt; und das Bestimmen des Hologramms auf der Grundlage des mindestens einen primär beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung.A method of determining a hologram for display on a display device is disclosed. The method includes determining the location of the entrance pupil of a viewing system arranged to view the hologram and identifying contributing areas and non-contributing areas of the display device, wherein the contributing areas of the display device substantially propagate light passing through the entrance pupil of the viewing system at the particular location, and non-contributing portions of the display substantially propagate light that is stopped by the entrance pupil of the viewing system at the particular location. The method further comprises identifying at least one primary contributing area of the display device that provides light that contributes to a primary image and at least one secondary contributing area of the display device that provides light that contributes to a secondary image; and determining the hologram based on the at least one primary contributing area of the display device.

Es wird eine diffraktive Struktur bereitgestellt, die so angeordnet ist, dass sie Licht, das durch ein Betrachtungssystem in ein Zielbild umgewandelt werden kann, räumlich moduliert, wobei die diffraktive Struktur so konfiguriert ist, dass sie eine Vielzahl von diskreten Lichtmustern erzeugt, wobei jedes Lichtmuster einem anderen Teil des Zielbildes entspricht, wobei die Form jedes diskreten Lichtmusters im Wesentlichen der Form einer Eingangsöffnung des Betrachtungssystems entspricht.There is provided a diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into a target image by a viewing system, the diffractive structure configured to produce a plurality of discrete light patterns, each light pattern corresponds to another part of the target image, the shape of each discrete light pattern substantially corresponding to the shape of an entrance aperture of the viewing system.

Es wird eine diffraktive Struktur bereitgestellt, die so angeordnet ist, dass sie Licht, das von einem Betrachtungssystem (das eine Linse umfasst) in ein Bild umgewandelt werden kann, räumlich moduliert, wobei die diffraktive Struktur so angeordnet ist, dass sie Licht in eine Vielzahl von diskreten Lichtkanälen lenkt, wobei jeder Lichtkanal eine Querschnittsform aufweist, die im Wesentlichen einer Eintrittspupille des Betrachtungssystems entspricht, und jeder Lichtkanal im Wesentlichen einem anderen Teil des Bildes entspricht.There is provided a diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into an image by a viewing system (comprising a lens), the diffractive structure arranged to separate light into a plurality of discrete light channels, each light channel having a cross-sectional shape that substantially corresponds to an entrance pupil of the viewing system, and each light channel substantially corresponding to a different part of the image.

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms zur Anzeige auf einer Anzeigevorrichtung und zur Bildung eines virtuellen Bildesoffenbart, das von einer Betrachtungsebene aus wahrnehmbar ist, indem ein auf der Anzeigevorrichtung angezeigtes Hologramm durch einen Wellenleiter betrachtet wird. Das Verfahren umfasst für jeden virtuellen Bildpunkt des virtuellen Bildes die Bestimmung der Koordinaten des virtuellen Bildpunktes, [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell], die Bestimmung einer Betrachtungsposition in der Betrachtungsebene und die Bestimmung einer Anzahl von Lichtreflexionen, B, innerhalb des Wellenleiters, die mit einem durch den Wellenleiter gebildeten Primärbild verbunden sind. Das Verfahren umfasst ferner die Strahlenverfolgung von dem virtuellen Bildpunkt zu der Betrachtungsebene für „B“-Lichtreflexionen innerhalb des Wellenleiters und die Bestimmung der Koordinaten [xLCOS (B), yLCOS (B)] eines Hauptlichtstrahls an der Anzeigevorrichtung für die Lichtausbreitung von [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] zu der Betrachtungsebene mit B-Reflexionen. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen aktiver Pixel der Anzeigevorrichtung innerhalb eines Bereichs, der durch [xLCOS (B), yLCOS (B)] definiert ist; und das Bestimmen eines Teilhologramms, das eine Amplituden- und/oder Phasenhologrammkomponente für die aktiven Pixel umfasst, durch Ausbreiten einer Lichtwelle von [xvirtuell,yvirtuell,zvirtuell] zu den aktiven Pixeln.A method of determining a hologram for display on a display device and forming a virtual image perceptible from a viewing plane by viewing a hologram displayed on the display device through a waveguide is disclosed. The method includes, for each virtual pixel of the virtual image, determining the coordinates of the virtual pixel, [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ], determining a viewing position in the viewing plane, and determining a number of light reflections, B, within the waveguide associated with a primary image formed by the waveguide are connected. The method further includes ray tracing from the virtual pixel to the viewing plane for "B" light reflections within the waveguide and determining the coordinates [x LCOS (B), y LCOS (B)] of a principal light ray at the display device for the light propagation of [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the viewing plane with B reflections. The method further includes determining active pixels of the display device within an area defined by [x LCOS (B), y LCOS (B)]; and determining a partial hologram comprising an amplitude and/or phase hologram component for the active pixels by propagating a lightwave from [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the active pixels.

Der Hauptstrahl kann ein Lichtstrahl sein, der so bestimmt (z. B. berechnet oder modelliert) wird, dass er von dem virtuellen Bildpunkt über die Anzeigevorrichtung zu einem primären oder „Haupt“-Bildpunkt des virtuellen Bildpunkts auf der Betrachtungsebene verläuft.The chief ray may be a ray of light determined (e.g., calculated or modeled) to travel from the virtual pixel across the display device to a primary or "main" pixel of the virtual pixel on the viewing plane.

Das offenbarte Verfahren kann ferner die Kombination der Teilhologramme - die jeweils für zwei oder mehr entsprechende virtuelle Bildpunkte berechnet werden - umfassen, um ein Hologramm zu bilden.The disclosed method may further include combining the partial holograms - each calculated for two or more corresponding virtual pixels - to form a hologram.

Das Verfahren kann ferner die Bestimmung einer Position des Hauptbildes des virtuellen Bildpunktes in der Betrachtungsebene [xsensor, ysensor] umfassen.The method may further include determining a position of the main image of the virtual pixel in the viewing plane [ xsensor , ysensor ].

Das Verfahren kann ferner umfassen, dass für jeden vom Wellenleiter zugelassenen DB-Wert eine Strahlenverfolgung von [xsensor, ysensor] zu einer virtuellen Bildebenezvirtuell für B+DB-Reflexionen und das Bestimmen von virtuellen Punktkoordinaten, [xvirtuell(DB), yvirtuell(DB), zvirtuell], die auf [xsensor, ysensor] für B+DB-Reflexionen abgebildet werden. Das Verfahren kann ferner die Bestimmung der Koordinaten [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB)] eines Hauptstrahls an der Anzeigevorrichtung für die Lichtausbreitung von [xvirtuell(DB), yvirtuell(DB), zvirtuell] zur Betrachtungsebene mit B+DB-Reflexionen und die Identifizierung zusätzlicher aktiver Pixel der Anzeigevorrichtung innerhalb eines zweiten Bereichs (d. h., (d.h. einem zusätzlichen Bereich), der durch [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB)] definiert ist. Das Verfahren kann ferner die Bestimmung eines zusätzlichen Teilhologramms umfassen, das eine Amplituden- und/oder Phasenhologrammkomponente für die zusätzlichen aktiven Pixel umfasst, indem eine Lichtwelle von [xvirtuell(DB), yvirtuell(DB), zvirtuell] zu den zusätzlichen aktiven Pixeln propagiert wird.The method may further include, for each DB value allowed by the waveguide, ray tracing from [ xsensor , ysensor ] to a virtual image plane zvirtual for B+DB reflections and determining virtual point coordinates, [ xvirtual (DB), yvirtual (DB ), zvirtual ], which are mapped to [ xsensor , ysensor ] for B+DB reflections. The method may further include determining the coordinates [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB)] of a principal ray at the display device for light propagation from [ xvirtual (DB), yvirtual (DB), zvirtual ] to the viewing plane with B+DB reflections and the identification of additional active pixels of the display device within a second region (ie, (ie a additional area) defined by [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB)]. The method may further include determining an additional sub-hologram comprising an amplitude and/or phase hologram component for the additional active pixels by propagating a lightwave from [ xvirtual (DB), yvirtual (DB), zvirtual ] to the additional active pixels .

Gemäß einigen offenbarten Ausführungsformen kann das Hologramm durch Bestimmung komplexer Lichtfelder berechnet werden, wobei das Verfahren iterativ sein kann. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren eine erste bis fünfte Stufe. Die erste Stufe umfasst die Bestimmung eines ersten komplexen Lichtfeldes an einer Eintrittspupille des Betrachtungssystems. Das erste komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung von Licht aus einer Anzeigeebene der Anzeigevorrichtung entlang mindestens eines Lichtausbreitungspfades des Pupillenerweiterers. Die erste Stufe umfasst auch das Zuschneiden in Übereinstimmung mit der Eintrittspupille des Betrachtungssystems. Die zweite Stufe umfasst die Bestimmung eines zweiten komplexen Lichtfeldes in einer Sensorebene eines Sensors des Betrachtungssystems. Das zweite komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts des ersten komplexen Lichtfelds von der Eintrittspupille durch eine Linse des Betrachtungssystems. Die zweite Stufe umfasst auch die Modifizierung der Amplitudenkomponente in Übereinstimmung mit dem Bild. Die dritte Stufe umfasst die Bestimmung eines dritten komplexen Lichtfeldes an der Eintrittspupille. Das dritte komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Rückwärtsausbreitung des Lichts des zweiten komplexen Lichtfelds von der Sensorebene zurück durch das Objektiv. Die dritte Stufe umfasst auch das Zuschneiden in Übereinstimmung mit der Eintrittspupille. Die vierte Stufe umfasst die Bestimmung eines vierten komplexen Lichtfeldes in der Anzeigeebene. Das vierte komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts des dritten komplexen Lichtfelds zurück entlang der mindestens einen Lichtausbreitung des Pupillenerweiterers. Die vierte Stufe umfasst auch das Zuschneiden in Übereinstimmung mit der Anzeigevorrichtung. Das Hologramm wird aus dem vierten Datensatz extrahiert. Die ersten bis vierten Schritte können iterativ wiederholt werden. Das Hologramm konvergiert und verbessert sich wahrscheinlich mit jeder Iteration, erreicht aber ein Plateau. Das Verfahren kann beendet werden, wenn das aus der vierten Stufe extrahierte Hologramm eine akzeptable Qualität aufweist oder die Änderungsrate bei jeder Iteration unter einem Schwellenwert liegt oder eine zugewiesene Zeit abgelaufen ist. Zur Klarstellung: Das extrahierte Hologramm ist das Hologramm für die Anzeige auf der Anzeigevorrichtung.According to some disclosed embodiments, the hologram can be calculated by determining complex light fields, where the method can be iterative. According to one embodiment, the method comprises a first to fifth stage. The first stage involves determining a first complex light field at an entrance pupil of the viewing system. The first complex field of light results from the propagation of light from a display plane of the display device along at least one light propagation path of the pupil dilator. The first stage also includes cropping in accordance with the entrance pupil of the viewing system. The second stage includes the determination of a second complex light field in a sensor plane of a sensor of the viewing system. The second complex light field results from propagating the light of the first complex light field from the entrance pupil through a lens of the viewing system. The second stage also involves modifying the amplitude component in accordance with the image. The third stage involves the determination of a third complex light field at the entrance pupil. The third complex light field results from the backward propagation of the light of the second complex light field from the sensor plane back through the lens. The third stage also includes cropping in accordance with the entrance pupil. The fourth stage involves determining a fourth complex light field in the display plane. The fourth complex light field results from propagating the light of the third complex light field back along the at least one light propagation of the pupil dilator. The fourth stage also includes cropping in accordance with the display device. The hologram is extracted from the fourth data set. The first to fourth steps can be repeated iteratively. The hologram is converging and likely improving with each iteration, but will plateau. The process may terminate when the hologram extracted from the fourth stage is of acceptable quality, or the rate of change at each iteration is below a threshold, or an allotted time has elapsed. To clarify, the extracted hologram is the hologram for display on the display device.

Der Begriff „Rückwärtsausbreitung“ wird lediglich verwendet, um zu verdeutlichen, dass die Ausbreitungsrichtung des Lichts in der dritten und vierten Stufe anders oder im Wesentlichen entgegengesetzt zu der in der ersten und zweiten Stufe ist. In dieser Hinsicht kann die Lichtausbreitung in der ersten und zweiten Stufe als „Vorwärtsausbreitung“ bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen sind die „Vorwärtsausbreitung“ und die „Rückwärtsausbreitung“ mathematisch invers zueinander.The term "backward propagation" is only used to indicate that the direction of propagation of the light in the third and fourth stages is different or substantially opposite to that in the first and second stages. In this regard, the propagation of light in the first and second stages can be referred to as "forward propagation". In some embodiments, "forward propagation" and "backward propagation" are mathematically inverses of each other.

Der Begriff „Beschneiden“ wird hier verwendet, um einen Prozess des selektiven Verwerfens von Informationen, wie z. B. Lichtfeldinformationen, außerhalb eines Bereichs oder einer Region von Interesse, wie z. B. außerhalb einer Lichtapertur, zu bezeichnen. In einigen Ausführungsformen ist das „Beschneiden“ ein Datenverarbeitungsschritt, der das Verwerfen von Datenpunkten, das Nullsetzen von Datenpunkten oder das einfache Ignorieren von Datenpunkten außerhalb der Apertur umfasst.The term "pruning" is used here to mean a process of selectively discarding information, such as B. light field information, outside an area or region of interest, such. B. outside of a light aperture. In some embodiments, “clipping” is a data processing step that includes discarding data points, zeroing data points, or simply ignoring data points outside of the aperture.

Hier wird auf ein „komplexes Lichtfeld“ Bezug genommen. Der Begriff „Lichtfeld“ bezeichnet lediglich ein Lichtmuster mit einer endlichen Größe in mindestens zwei orthogonalen Raumrichtungen, x und y. Das Wort „komplex“ wird hier nur verwendet, um darauf hinzuweisen, dass das Licht an jedem Punkt des Lichtfeldes durch einen Amplitudenwert und einen Phasenwert definiert sein kann und daher durch eine komplexe Zahl oder ein Wertepaar dargestellt werden kann. Für die Zwecke der Hologrammberechnung kann das komplexe Lichtfeld eine zweidimensionale Anordnung komplexer Zahlen sein, wobei die komplexen Zahlen die Lichtintensität und die Phase an einer Vielzahl von diskreten Stellen innerhalb des Lichtfeldes definieren. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das komplexe Lichtfeld zwischen einer Hologrammebene und einer Bildebene in den Richtungen +z und -z vorwärts und rückwärts propagiert. Die Lichtausbreitung kann mit einer beliebigen Anzahl verschiedener Ansätze oder mathematischer Transformationen simuliert oder modelliert werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Wellenoptik bekannt sind.Here reference is made to a "complex field of light". The term "light field" simply denotes a light pattern with a finite size in at least two orthogonal spatial directions, x and y. The word "complex" is used here only to indicate that the light at any point in the light field can be defined by an amplitude value and a phase value and can therefore be represented by a complex number or pair of values. For the purposes of hologram computation, the complex light field can be a two-dimensional array of complex numbers, where the complex numbers define the light intensity and phase at a plurality of discrete locations within the light field. According to the method disclosed here, the complex light field is propagated back and forth between a hologram plane and an image plane in the +z and -z directions. Light propagation can be simulated or modeled using any number of different approaches or mathematical transformations known to those skilled in the art of wave optics.

Das offenbarte Verfahren ist zur Bestimmung eines Hologramms für ein relativ kleines Anzeigegerät und zur Projektion über eine relativ große Entfernungausgelegt, wobei das Hologramm direkt auf das/die Betrachtungssystem(e) projiziert wird und das Verfahren in Echtzeit durchgeführt werden kann. Die relativ kleine Größe des Anzeigegeräts und die relativ große Projektionsdistanz können einen Pupillenerweiterer erforderlich machen. Das offenbarte Verfahren geht auch auf die optischen Komplikationen ein, die durch die Verwendung einer Pupillenerweiterung entstehen. Zumindest in einigen offenbarten Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren weiterhin, dass der Bildinhalt in unterschiedlichen Entfernungen von dem/den Betrachter(n) und/oder in mehreren Entfernungen erscheint, optional auch gleichzeitig - z. B. mit einem Hologramm. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren, dass der Bildinhalt stromabwärts von der Anzeigevorrichtung und stromaufwärts von der Anzeigevorrichtung angezeigt wird, gegebenenfalls gleichzeitig, z. B. unter Verwendung eines Hologramms.The disclosed method is designed to determine a hologram for a relatively small display device and project it over a relatively large distance, where the hologram is projected directly onto the viewing system(s) and the method can be performed in real time. The relatively small size of the display device and the relatively large projection distance may necessitate a pupil dilator. The disclosed method also addresses the optical complications that arise from the use of pupil dilation. In at least some disclosed embodiments, the method further enables the image content to be differentiated distances from the viewer(s) and/or appears at several distances, optionally also simultaneously - e.g. B. with a hologram. Furthermore, the method enables the image content to be displayed downstream of the display device and upstream of the display device, possibly simultaneously, e.g. B. using a hologram.

Wichtig ist, dass das Licht des Hologramms selbst (d. h. das holografische Licht) zu dem/den Betrachter(n) übertragen wird - nicht eine holografische Rekonstruktion (d. h. ein Bild), die aus dem Hologramm gebildet wird. Man kann sagen, dass das räumlich modulierte Licht, das von dem/den Betrachtungssystem(en) empfangen wird, im Hologrammbereich und nicht im Raum- oder Bildbereich liegt. Man kann auch sagen, dass das/die Betrachtungssystem(e) die Umwandlung des Hologramms in ein Bild vornimmt/vornehmen. Genauer gesagt, führt ein optisches Element, wie z. B. die Linse jedes Betrachtungssystems, die Transformation durch. In einigen Ausführungsformen wird keine holografische Rekonstruktion oder kein holografisches Bild zwischen dem Anzeigegerät und dem/den Betrachtungssystem(en) erzeugt. In einigen Ausführungsformen wird ein anderes Hologramm berechnet und an jedes Auge eines Betrachters weitergeleitet, gegebenenfalls unter Verwendung eines Verschachtelungsschemas.What is important is that the light of the hologram itself (i.e. the holographic light) is transmitted to the viewer(s) - not a holographic reconstruction (i.e. an image) formed from the hologram. It can be said that the spatially modulated light received by the viewing system(s) is in the hologram domain and not in the spatial or image domain. It can also be said that the viewing system(s) performs the conversion of the hologram into an image. More specifically, an optical element such as e.g. B. the lens of each viewing system, the transformation through. In some embodiments, no holographic reconstruction or image is created between the display device and the viewing system(s). In some embodiments, a different hologram is computed and passed to each eye of a viewer, optionally using an interleaving scheme.

Die Anzeigevorrichtung hat eine aktive oder Anzeigefläche mit einer ersten Abmessung, die weniger als 10 cm, beispielsweise weniger als 5 cm oder weniger als 2 cm, betragen kann. Die Ausbreitungsdistanz zwischen der Anzeigevorrichtung und dem Betrachtungssystem kann größer als 1 m sein, z. B. größer als 1,5 m oder größer als 2 m. Die optische Ausbreitungsdistanz innerhalb des Wellenleiters kann bis zu 2 m betragen, z. B. bis zu 1,5 m oder bis zu 1 m. Das Verfahren kann in der Lage sein, ein Bild zu empfangen und ein entsprechendes Hologramm von ausreichender Qualität in weniger als 20 ms zu bestimmen, z. B. in weniger als 15 ms oder weniger als 10 ms.The display device has an active or display area with a first dimension which may be less than 10 cm, for example less than 5 cm or less than 2 cm. The propagation distance between the display device and the viewing system can be greater than 1 m, e.g. greater than 1.5m or greater than 2m. The optical propagation distance within the waveguide can be up to 2m, e.g. up to 1.5 m or up to 1 m. The method may be able to receive an image and determine a corresponding hologram of sufficient quality in less than 20 ms, e.g. B. in less than 15 ms or less than 10 ms.

Die hierin offengelegten Verfahren bilden ein Hologramm, das so konfiguriert ist, dass es Licht in eine Vielzahl von Kanälen leitet, wobei jeder Kanal einem anderen Teil (d. h. einem Teilbereich) eines Bildes entspricht. Das Hologramm kann auf einer Anzeigevorrichtung, wie z. B. einem räumlichen Lichtmodulator, dargestellt, d. h. angezeigt werden. Bei der Anzeige auf einem geeigneten Anzeigegerät kann das Hologramm Licht räumlich modulieren, das von einem Betrachtungssystem in ein Bild umgewandelt wird. Die durch die diffraktive Struktur gebildeten Kanäle werden hier als „Hologrammkanäle“ bezeichnet, um zu verdeutlichen, dass es sich um Lichtkanäle handelt, die durch das Hologramm mit Bildinformationen kodiert werden. Man kann sagen, dass sich das Licht jedes Kanals im Hologrammbereich und nicht im Bild- oder Raumbereich befindet. In einigen Ausführungsformen ist das Hologramm ein Fourier- oder Fouriertransformationshologramm und der Hologrammbereich ist daher der Fourier- oder Frequenzbereich. Das Hologramm kann auch ein Fresnel-Hologramm oder ein Fresnel-Transformationshologramm sein.The methods disclosed herein form a hologram configured to direct light into a plurality of channels, each channel corresponding to a different portion (i.e., sub-area) of an image. The hologram can be displayed on a display device, e.g. a spatial light modulator, i. H. are displayed. When displayed on a suitable display device, the hologram can spatially modulate light that is converted into an image by a viewing system. The channels formed by the diffractive structure are referred to here as "hologram channels" to make it clear that they are light channels that are encoded by the hologram with image information. It can be said that each channel's light is in the hologram domain and not in the image or space domain. In some embodiments, the hologram is a Fourier or Fourier transform hologram and the hologram domain is therefore the Fourier or frequency domain. The hologram can also be a Fresnel hologram or a Fresnel transform hologram.

Das Hologramm wird hier so beschrieben, dass das Licht in eine Vielzahl von Hologrammkanälen geleitet wird, nur um zu verdeutlichen, dass das aus dem Hologramm rekonstruierbare Bild eine endliche Größe hat und willkürlich in eine Vielzahl von Bildteilbereichen unterteilt werden kann, wobei jeder Hologrammkanal einem entsprechenden Bildteilbereich entspricht. Wichtig ist, dass das Hologramm dieser Offenbarung dadurch gekennzeichnet ist, wie es den Bildinhalt verteilt, wenn es beleuchtet wird. Insbesondere teilt das Hologramm den Bildinhalt nach dem Winkel auf. Das heißt, jeder Punkt auf dem Bild ist mit einem eindeutigen Lichtstrahlwinkel oder einem Bereich von Winkeln in dem räumlich modulierten Licht verbunden, das durch das Hologramm gebildet wird, wenn es beleuchtet wird - zumindest ein eindeutiges Paar von Winkeln oder einen Bereich von Winkeln, da das Hologramm zweidimensional ist-Das heißt, jeder Punkt eines Ziel-/Wunschbildes kann einem Lichtkanal zugeordnet werden, der durch das Hologramm gebildet wird, das das Bild rekonstruiert. Genauer gesagt, wird der Bildinhalt oder die Information, die mit jedem Bildpunkt verbunden ist, in einem entsprechenden Kanal kodiert. Sofern es nicht zu Überschneidungen kommt, wie oben beschrieben, ist jeder Bildpunkt (oder ein zusammenhängender Bereich von Bildpunkten, der einen Teilbereich des Bildes bildet) eindeutig einem entsprechenden Lichtkanal zugeordnet. Jeder Teil eines Bildes kann daher einem Winkel (oder einem Winkelpaar) zugeordnet werden, der eine Achse eines durch das Hologramm gebildeten diskreten Lichtkanals definiert. Um jeden Zweifel auszuschließen, sei gesagt, dass dieses Verhalten des Hologramms nicht konventionell ist. Das räumlich modulierte Licht, das von dieser besonderen Art von Hologramm gebildet wird, kann, wenn es beleuchtet wird, willkürlich in eine Vielzahl von Hologrammkanälen aufgeteilt werden. Aus den vorstehenden Ausführungen wird ersichtlich, dass jedes Hologramm, das im räumlich modulierten Licht betrachtet werden kann, einem entsprechenden Teil oder Teilbereich des Bildes zugeordnet wird. Das heißt, alle Informationen, die zur Rekonstruktion dieses Teils oder Teilbereichs des Bildes benötigt werden, sind in einem Kanal des räumlich modulierten Lichts enthalten, der aus dem Hologramm des Bildes gebildet wird. Wenn das räumlich modulierte Licht als Ganzes betrachtet wird, gibt es nicht notwendigerweise Anzeichen für eine Vielzahl von diskreten Lichtkanälen. In einigen Ausführungsformen wird jedoch eine Vielzahl räumlich getrennter Hologrammkanäle gebildet, indem Bereiche des Zielbildes, aus denen das Hologramm berechnet wird, absichtlich leer gelassen werden (d. h. es ist kein Bildinhalt vorhanden).The hologram is described here as directing the light into a plurality of hologram channels, just to make it clear that the image that can be reconstructed from the hologram is of finite size and can be arbitrarily divided into a plurality of sub-image regions, each hologram channel corresponding to a Image sub-area corresponds. Importantly, the hologram of this disclosure is characterized by how it distributes image content when illuminated. In particular, the hologram divides the image content according to the angle. That is, each point on the image is associated with a unique light ray angle or range of angles in the spatially modulated light formed by the hologram when illuminated - at least a unique pair of angles or range of angles, since the hologram is two-dimensional - that is, each point of a target/desired image can be associated with a channel of light formed by the hologram reconstructing the image. More specifically, the image content or information associated with each pixel is encoded in a respective channel. Provided there is no overlap, as described above, each pixel (or a contiguous area of pixels that forms a sub-area of the image) is uniquely assigned to a corresponding light channel. Each part of an image can therefore be associated with an angle (or a pair of angles) defining an axis of a discrete light channel formed by the hologram. For the avoidance of doubt, this behavior of the hologram is not conventional. The spatially modulated light formed by this particular type of hologram, when illuminated, can be randomly split into a plurality of hologram channels. From the foregoing, it can be seen that each hologram that can be viewed in spatially modulated light is associated with a corresponding portion or portion of the image. That is, all the information needed to reconstruct that portion or portion of the image is contained in a channel of spatially modulated light formed from the hologram of the image. When the spatially modulated light is viewed as a whole, there is not necessarily evidence of a multitude of discrete ones light channels. However, in some embodiments, a plurality of spatially separated hologram channels are formed by intentionally leaving areas of the target image from which the hologram is computed blank (ie, no image content is present).

Trotzdem kann das Hologramm noch identifiziert werden. Wird z. B. nur ein Hologrammkanal - d. h. nur ein zusammenhängender Teil oder Teilbereich des vom Hologramm gebildeten räumlich modulierten Lichts - rekonstruiert, sollte nur ein entsprechender Teilbereich des Bildes sichtbar sein. Wird ein anderer Hologrammkanal - d.h. ein anderer kontinuierlicher Teil oder Teilbereich des räumlich modulierten Lichts - rekonstruiert, sollte jeweils ein anderer Teilbereich des Bildes sichtbar sein. Ein weiteres Erkennungsmerkmal dieses Hologrammtyps ist, dass die Form der Querschnittsfläche eines jeden Hologrammkanals im Wesentlichen der Form der Eintrittspupille entspricht (z. B. im Wesentlichen gleich ist), obwohl die Größe unterschiedlich sein kann - zumindest in der richtigen Ebene, für die das Hologramm berechnet wurde. Jeder Lichthologrammkanal breitet sich vom Hologramm in einer Kern- (oder axialen) Richtung aus. Dies sind zwar nur Beispiele für die Charakterisierung oder Identifizierung dieser Art von Hologramm, aber es können auch andere Methoden verwendet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das hier offengelegte Hologramm dadurch charakterisiert und identifizierbar ist, wie der Bildinhalt innerhalb des durch das Hologramm kodierten Lichts verteilt ist, und die beigefügten Ansprüche sind entsprechend formuliert.Despite this, the hologram can still be identified. If e.g. B. only one hologram channel - i. H. only a coherent part or sub-area of the spatially modulated light formed by the hologram - reconstructed, only a corresponding sub-area of the image should be visible. If a different hologram channel - i.e. a different continuous part or sub-area of the spatially modulated light - is reconstructed, a different sub-area of the image should be visible in each case. Another distinguishing feature of this type of hologram is that the shape of the cross-sectional area of each hologram channel essentially corresponds to the shape of the entrance pupil (e.g. is essentially the same), although the size can be different - at least in the correct plane for which the hologram was calculated. Each light hologram channel propagates from the hologram in a core (or axial) direction. While these are just examples of how to characterize or identify this type of hologram, other methods can also be used. In summary, the hologram disclosed herein is characterized and identifiable by how the image content is distributed within the light encoded by the hologram, and the appended claims are formulated accordingly.

Das Verfahren kann darin bestehen, das Bild während der Hologrammberechnung so aufzuteilen, dass die Anzahl der durch das Hologramm gebildeten Lichtkanäle - und damit der Abstand zwischen den Lichtkanälen - synergetisch mit dem hier beschriebenen Replikationsprozess ist. In einigen Ausführungsformen entspricht jeder Kanal eindeutig einer Anzahl von Reflexionssprüngen innerhalb eines Wellenleiters. Beispielsweise kann ein erster Kanal null „Abprallungen“ entsprechen, ein zweiter Kanal einer „Abprallung“ und so weiter.The method can consist of dividing the image during the hologram calculation in such a way that the number of light channels formed by the hologram - and thus the distance between the light channels - is synergistic with the replication process described here. In some embodiments, each channel uniquely corresponds to a number of reflection jumps within a waveguide. For example, a first channel may correspond to zero "bounces", a second channel to one "bounce", and so on.

Die hier beschriebene Methode bietet viele technische Fortschritte. Erstens entstehen bei dem Verfahren keine Geisterbilder, wie sie bei anderen Verfahren auftreten können. Dies liegt daran, dass das Verfahren von vornherein sicherstellt, dass der richtige Bildinhalt an die richtige Stelle gelangt, indem es alle möglichen Lichtausbreitungswege im Wellenleiter vollständig berücksichtigt. Zweitens kann das Verfahren, zumindest in einigen Ausführungsformen, den Bildinhalt in jeder beliebigen Tiefenebene darstellen, im Gegensatz zu anderen Verfahren, die bei einem sehr geringen Abstand der Bildpunkte unzureichend sein können. Dies ist ein wesentliches Problem bei optischen Systemen, die einen optischen Kombinator mit optischer Leistung - wie z. B. eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs - zur Erzeugung eines virtuellen Bildes verwenden. Drittens berücksichtigt das Verfahren von Natur aus die Auswirkungen der Wellenlänge, so dass bei einem Farbprojektor mit mehreren einfarbigen holografischen Kanälen keine Korrektur der Bildgröße nach Wellenlänge erforderlich ist, wie sie im US-Patent 10,514,658 beschrieben ist.The method described here offers many technical advances. First, the method does not generate ghosting, as can occur with other methods. This is because the method ensures from the outset that the correct image content goes to the right place by fully accounting for all possible light propagation paths in the waveguide. Second, the method, at least in some embodiments, can represent the image content at any arbitrary depth level, in contrast to other methods, which can be insufficient when the pixel spacing is very small. This is a significant problem in optical systems that use an optical combiner with optical power - such as e.g. B. a windshield of a vehicle - use to generate a virtual image. Third, the process inherently accounts for the effects of wavelength, so a color projector with multiple monochromatic holographic channels does not require image size correction by wavelength, as in the U.S. Patent 10,514,658 is described.

Die verschiedenen Ausbreitungswege der Hologrammkanäle können die Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems in jeweils unterschiedlichen Winkeln durchlaufen. Der Pupillenexpander kann so angeordnet sein, dass alle Hologrammkanäle bei jeder Betrachtungsposition auf einer Betrachtungsebene durch die Eingangsöffnung des Betrachtungssystems geführt werden. Der Pupillenexpander leitet jeden Hologrammkanal für jede zulässige Betrachtungsposition nur über einen Ausbreitungsweg zum Betrachtungssystem. Mindestens zwei Hologrammkanäle aus der Vielzahl der Hologrammkanäle können sich an der Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems teilweise überlappen.The various propagation paths of the hologram channels can each pass through the entrance aperture of the viewing system at different angles. The pupil expander can be arranged so that all hologram channels at each viewing position on a viewing plane pass through the entrance aperture of the viewing system. The pupil expander directs each hologram channel to the viewing system via only one propagation path for each valid viewing position. At least two of the plurality of hologram channels can partially overlap at the entrance aperture of the viewing system.

In Ausführungsformen, in denen das offenbarte Verfahren erste bis fünfte Stufen umfasst, können die ersten bis vierten Stufen geordnete Stufen sein. Bei dem offenbarten Verfahren wird zwischen der Bildebene und dem Hologramm hin- und herprojiziert, und das Verfahren kann in der Bildebene oder der Hologrammebene beginnen. Die Amplitudenkomponente des Lichtfelds wird nach jeder Ausbreitung in die Bildebene oder die Hologrammebene verändert oder eingeschränkt, die Phasenkomponente bleibt jedoch erhalten. In einigen Ausführungsformen beginnt das Verfahren mit der ersten Stufe, was dem Beginn in der Hologrammebene entspricht. In anderen Ausführungsformen beginnt das Verfahren jedoch mit der dritten Stufe, was einem Start in der Bildebene gleichkommt. In diesen anderen Ausführungsformen folgt auf die dritte Stufe die vierte Stufe. Auf die vierte Stufe folgt die erste Stufe und auf die erste Stufe folgt die zweite Stufe. Jede Stufe kann einmal vor der Hologrammextraktion durchgeführt werden, oder zumindest einige Stufen können mehrmals vor der Hologrammextraktion durchgeführt werden.In embodiments where the disclosed method includes first through fifth stages, the first through fourth stages may be ordered stages. In the disclosed method, there is back-and-forth projection between the image plane and the hologram, and the method can start in the image plane or the hologram plane. The amplitude component of the light field is modified or restricted after each propagation into the image plane or the hologram plane, but the phase component is preserved. In some embodiments, the method begins with the first stage, which corresponds to beginning at the hologram plane. However, in other embodiments, the method begins with the third stage, which is equivalent to starting at the image plane. In these other embodiments, the third stage is followed by the fourth stage. The fourth stage is followed by the first stage and the first stage is followed by the second stage. Each stage can be performed once prior to hologram extraction, or at least some stages can be performed multiple times prior to hologram extraction.

Der mindestens eine Lichtausbreitungsweg kann aus mehreren Lichtausbreitungswegen bestehen, die durch die Pupillenerweiterung bereitgestellt werden. Die Struktur der Pupillenerweiterung erleichtert oder ermöglicht eine Vielzahl verschiedener möglicher Lichtwege durch sie hindurch. Die verschiedenen möglichen Lichtwege können sich teilweise überschneiden. In einigen Ausführungsformen wird durch den Pupillenexpander eine Reihe verschiedener Lichtwege erzeugt, wobei jeder Lichtweg in der Reihe länger ist als der letzte. Jeder Lichtweg der Serie verlässt den Pupillenerweiterer an einem anderen Punkt auf einer Austrittsfläche desselben, um eine entsprechende Serie von Lichtaustrittspunkten oder Teilbereichen zu schaffen. Die Reihe von Lichtaustrittspunkten oder -unterbereichen kann im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Austrittsfläche des Pupillenerweiterers angeordnet sein.The at least one light propagation path can consist of multiple light propagation paths provided by the pupillary dilation. The structure of the dilated pupil facilitates or allows for a variety of different possible light paths through it. The various possible light paths can partially overlap. In some embodiments, a series of ver different light paths, each light path in the series being longer than the last. Each light path of the series exits the pupil dilator at a different point on an exit surface thereof to create a corresponding series of light exit points or portions. The series of light exit points or sub-areas can be substantially uniformly arranged along the exit surface of the pupil dilator.

Der Pupillenexpander kann ein Wellenleiter-Pupillenexpander sein. Jeder Lichtstrahl, der in den Pupillenexpander eintritt, kann mehrere Male wiederholt werden. Der Pupillenexpander kann so beschaffen sein, dass er Licht durch eine Reihe interner Reflexionen ausbreitet und Licht an einer Vielzahl von Punkten entlang einer seiner Hauptflächen ausgibt. Jeder Lichtausbreitungsweg kann durch die Anzahl der internen Reflexionen innerhalb des Wellenleiters definiert werden, die mit diesem Lichtausbreitungsweg verbunden sind. Ein erster Lichtausbreitungsweg kann beispielsweise keine internen Reflexionen aufweisen und entspricht daher dem Licht, das direkt durch den Wellenleiter läuft. Ein zweiter Lichtausbreitungsweg kann beispielsweise zwei interne Reflexionen vor dem Austritt aus dem Wellenleiter umfassen, nämlich eine erste Reflexion an einer ersten primären/reflektierenden Oberfläche des Wellenleiters und eine zweite Reflexion an einer zweiten primären/reflektierenden Oberfläche des Wellenleiters, wobei die zweite primäre/reflektierende Oberfläche der ersten primären/reflektierenden Oberfläche gegenüberliegt oder komplementär zu ihr ist. Zur Vermeidung von Zweifeln überschneiden sich die Lichtausbreitungswege daher teilweise. In anderen Beispielen umfasst ein erster Lichtausbreitungsweg eine Reflexion und der zweite Lichtausbreitungsweg umfasst drei Reflexionen. Der erste Lichtausbreitungsweg kann der kürzeste Lichtausbreitungsweg und der n-te Lichtausbreitungsweg der längste Lichtausbreitungsweg sein. Die verschiedenen Ausbreitungswege können die Eingangsöffnung des Betrachtungssystems in einem unterschiedlichen Winkel durchlaufen.The pupil expander can be a waveguide pupil expander. Each ray of light entering the pupil expander can be repeated several times. The pupil expander can be arranged to propagate light by a series of internal reflections and emit light at a plurality of points along one of its major surfaces. Each light propagation path can be defined by the number of internal reflections within the waveguide associated with that light propagation path. For example, a first light propagation path may have no internal reflections and therefore corresponds to light passing directly through the waveguide. For example, a second light propagation path may include two internal reflections prior to exiting the waveguide, namely a first reflection at a first primary/reflective surface of the waveguide and a second reflection at a second primary/reflective surface of the waveguide, the second primary/reflective surface opposite or complementary to the first primary/reflective surface. Therefore, for the avoidance of doubt, the light propagation paths partially overlap. In other examples, a first light propagation path includes one reflection and the second light propagation path includes three reflections. The first light propagation path can be the shortest light propagation path and the nth light propagation path can be the longest light propagation path. The different propagation paths may traverse the entrance aperture of the viewing system at a different angle.

Der mindestens eine Lichtausbreitungsweg kann nur einer von mehreren Lichtausbreitungswegen sein, die von der Pupillenerweiterung bereitgestellt werden. Die erste bis vierte Stufe kann für jeden Lichtausbreitungsweg der Vielzahl von Lichtausbreitungswegen durchgeführt werden, um ein Hologramm für jeden Lichtausbreitungsweg zu extrahieren. Die erste bis vierte Stufe kann unabhängig für jeden Lichtausbreitungsweg durchgeführt werden. Die mehreren Hologramme, die den mehreren Lichtausbreitungswegen entsprechen, können kombiniert werden, um das Hologramm für die Anzeige auf der Anzeigevorrichtung zu bilden.The at least one light propagation path can be only one of several light propagation paths provided by the pupil dilation. The first to fourth stages can be performed for each light propagation path of the plurality of light propagation paths to extract a hologram for each light propagation path. The first to fourth stages can be performed independently for each light propagation path. The multiple holograms corresponding to the multiple light propagation paths can be combined to form the hologram for display on the display device.

Insbesondere berücksichtigt das Verfahren die Vielzahl von Lichtausbreitungswegen durch den Wellenleiter, indem die ersten bis vierten Schritte (unabhängig vom Ausgangspunkt) für jeden Lichtausbreitungsweg durchgeführt werden. Der erste bis vierte Schritt kann für jeden Ausbreitungsweg nacheinander ausgeführt werden. Alternativ kann der erste Schritt für jeden Ausbreitungsweg, dann der zweite Schritt für jeden Ausbreitungsweg, dann der dritte Schritt usw. durchgeführt werden. Aufgrund der teilweisen Überlappung der verschiedenen Ausbreitungspfade können die in Bezug auf den n-ten Ausbreitungspfad durchgeführten Schritte Berechnungen in Bezug auf den n-1-Ausbreitungspfad wiederverwenden, wobei der n-te Ausbreitungspfad der nächstlängste Ausbreitungspfad nach dem n-1-Ausbreitungspfad ist. Die mehreren Hologramme, die jeweils für die mehreren unterschiedlichen Lichtausbreitungswege ermittelt wurden, können durch Addition kombiniert werden - insbesondere, wenn die Hologramme Phasen- oder Nur-Phasen-Hologramme sind.In particular, the method accounts for the plurality of light propagation paths through the waveguide by performing the first through fourth steps (regardless of starting point) for each light propagation path. The first to fourth steps can be carried out for each propagation path in sequence. Alternatively, the first step can be performed for each propagation path, then the second step for each propagation path, then the third step, and so on. Due to the partial overlap of the different propagation paths, the steps performed with respect to the nth propagation path can reuse calculations with respect to the n-1 propagation path, where the nth propagation path is the next longest propagation path after the n-1 propagation path. The multiple holograms determined for each of the multiple different light propagation paths can be combined by addition - particularly when the holograms are phase or phase-only holograms.

Das Licht, das sich in der ersten Stufe von der Anzeigeebene aus ausbreitet, kann ein nulltes komplexes Lichtfeld mit einer zufälligen Phasenkomponente, einer quadratischen Funktion oder einer abgetasteten quadratischen Funktion umfassen.The light propagating from the display plane in the first stage may comprise a zeroth complex light field with a random phase component, a quadratic function, or a sampled quadratic function.

Die Amplitudenkomponente des nullten komplexen Lichtfelds kann gleich der des Beleuchtungsstrahls sein. In einigen Ausführungsformen ist die Amplitude des nullten komplexen Lichtfeldes gleich eins. Beginnt das Verfahren mit der ersten Stufe, so kann die Phasenkomponente des nullten komplexen Lichtfeldes zufällig sein. Die zufällige Phasenverteilung wird manchmal auch als zufälliger Phasensaatwert bezeichnet und kann lediglich als Ausgangspunkt für das Verfahren verwendet werden, wenn es mit der Hologrammebene (d. h. der ersten Stufe) beginnt.The amplitude component of the zeroth complex light field can be equal to that of the illumination beam. In some embodiments, the amplitude of the zeroth complex light field is equal to one. If the method starts with the first stage, the phase component of the zeroth complex light field can be random. The random phase distribution is also sometimes referred to as the random phase seed and can only be used as a starting point for the method when starting with the hologram plane (i.e. the first stage).

Die erste bis vierte Stufe kann vor dem Schritt der Extraktion des Hologramms aus der letzten Iteration iterativ wiederholt werden. Das von der Anzeigevorrichtung für die zweite und die folgenden Iterationen ausgestrahlte Licht kann die Phasenverteilung des vierten komplexen Lichtfeldes der unmittelbar vorangegangenen Iteration umfassen.The first through fourth stages can be iteratively repeated before the step of extracting the hologram from the last iteration. The light emitted by the display device for the second and subsequent iterations may include the phase distribution of the fourth complex light field of the immediately preceding iteration.

Wenn weitere Iterationen der ersten Stufe durchgeführt werden, bevor das Verfahren gestoppt wird (d. h. das Hologramm ist akzeptabel), wird die Phasenkomponente aus der vierten Stufe erhalten oder beibehalten oder weitergeführt. Das heißt, die Phasenkomponente des komplexen Lichtfelds, das sich gemäß der ersten Stufe in die Anzeigeebene ausgebreitet hat, ist gleich der des vierten komplexen Lichtfelds.If further iterations of the first stage are performed before the process is stopped (i.e. the hologram is acceptable), the phase component from the fourth stage will be retained or maintained or carried forward. That is, the phase component of the complex light field that has propagated into the display plane according to the first stage is equal to that of the fourth complex light field.

Das Hologramm kann die Phasenkomponente des vierten Datensatzes sein. Bei dem Hologramm kann es sich um die Phasenkomponente des vierten Datensatzes der letzten Iteration oder Stufe des Verfahrens handeln. In einigen Ausführungsformen ist das Hologramm ein Kinoform- oder Phasenhologramm oder ein reines Phasenhologramm. Die Amplitudenkomponente des vierten komplexen Lichtfeldes kann verworfen werden.The hologram can be the phase component of the fourth data set. The hologram can be the phase component of the fourth data set of the last iteration or stage of the method. In some embodiments, the hologram is a kinoform or phase hologram or a pure phase hologram. The amplitude component of the fourth complex light field can be discarded.

Das Hologramm kann ein Hologramm aus mehreren Bildern sein. Jedes Bild kann einen anderen Bildabstand haben. Die zweite Stufe des Verfahrens kann unabhängig für jedes Bild durchgeführt werden. Wichtig ist, dass das hier beschriebene Verfahren ein Hologramm erzeugt, das Bildinhalte auf mehreren Ebenen gleichzeitig erzeugen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die zweite Stufe für jede einzelne Ebene durchgeführt wird und die Ergebnisse kombiniert werden, z. B. durch Summierung der komplexen Lichtfelder. Jedes Bild kann ein reales Bild oder ein virtuelles Bild sein. Der Bildinhalt kann vor der Anzeigevorrichtung - also stromabwärts der Anzeigevorrichtung - und/oder hinter der Anzeigevorrichtung - also stromaufwärts der Anzeigevorrichtung - sichtbar sein.The hologram may be a multi-image hologram. Each image can have a different image spacing. The second stage of the procedure can be performed independently for each image. It is important that the method described here generates a hologram that can generate image content on several levels at the same time. This is achieved by performing the second stage for each individual level and combining the results, e.g. B. by summing the complex light fields. Each image can be a real image or a virtual image. The image content can be visible in front of the display device—that is, downstream of the display device—and/or behind the display device—that is, upstream of the display device.

Jedes komplexe Lichtfeld wird durch Wellenausbreitungsoptiken wie Fresnel-Ausbreitung, verschobene Fresnel-Ausbreitung, fraktionierte Fresnel-Ausbreitung, fraktionierte Fourier-Transformation oder skalierte Fast-Fourier-Transformation bestimmt.Each complex light field is determined by wave propagation optics such as Fresnel propagation, shifted Fresnel propagation, fractional Fresnel propagation, fractional Fourier transform or scaled Fast Fourier transform.

Die Modifikation der Amplitudenkomponente der zweiten Stufe kann darin bestehen, die Amplitudenkomponente des zweiten komplexen Lichtfeldes durch die des Bildes zu ersetzen oder die Amplitudenkomponente des zweiten komplexen Lichtfeldes auf der Grundlage der Amplitudenkomponente des Bildes zu gewichten.The modification of the amplitude component of the second stage can be to replace the amplitude component of the second complex light field with that of the image or to weight the amplitude component of the second complex light field based on the amplitude component of the image.

Jeder Schritt des Zuschneidens kann das Zuschneiden des komplexen Lichtfeldes in Übereinstimmung mit mindestens einer der Größen und Positionen der entsprechenden Pupille umfassen. Die Größe und/oder die Position der Eintrittspupille kann durch Verfolgung oder Überwachung des Betrachtungssystems oder durch Empfang von Informationen über das Betrachtungssystem bestimmt werden. In Ausführungsformen, in denen das Betrachtungssystem ein Auge ist, kann das Verfahren eine Augenverfolgung oder eine Kopfverfolgung umfassen. Die hier beschriebenen ersten bis vierten Schritte können wiederholt werden, wenn sich mindestens eine Eigenschaft der Eintrittspupille - wie Position oder Größe - ändert.Each step of cropping may include cropping the complex field of light in accordance with at least one of the sizes and positions of the corresponding pupil. The size and/or position of the entrance pupil can be determined by tracking or monitoring the viewing system or by receiving information about the viewing system. In embodiments where the viewing system is an eye, the method may include eye tracking or head tracking. The first to fourth steps described here can be repeated if at least one property of the entrance pupil - such as position or size - changes.

Das Bild bzw. jedes Bild kann ein virtuelles Bild sein. Das bzw. jedes Bild kann für das Betrachtungssystem hinter oder jenseits des Anzeigegeräts zu liegen scheinen. Das heißt, der Abstand zwischen dem Betrachtungssystem und dem wahrgenommenen Bild kann größer sein als der Abstand zwischen dem Betrachtungssystem und dem Anzeigegerät. In anderen Ausführungsformen wird der Bildinhalt jedoch zusätzlich oder alternativ stromabwärts des Anzeigegeräts - d. h. zwischen dem Anzeigegerät und dem/den Betrachtungssystem(en) - dargestellt.The or each image may be a virtual image. The or each image may appear to be behind or beyond the display device to the viewing system. That is, the distance between the viewing system and the perceived image can be greater than the distance between the viewing system and the display device. In other embodiments, however, the image content is additionally or alternatively rendered downstream of the display device - i. H. between the display device and the viewing system(s) - shown.

Das Betrachtungssystem kann ein Auge eines Betrachters sein. Das Verfahren kann ferner die Verfolgung des Auges oder des Kopfes des Betrachters umfassen, um mindestens die Größe und die Position der Eintrittspupille des Betrachtungssystems zu bestimmen. In einigen offenbarten Ausführungsformen wird die Größe und/oder Position der Eintrittspupille(n) des/der Betrachtungssystems/Betrachtungssysteme als Teil des Verfahrens zur Bestimmung des Hologramms verwendet. In einigen Ausführungsformen wird das offenbarte Verfahren in Echtzeit durchgeführt - z. B. mit Videorate - und das Hologramm wird neu bestimmt, z. B. neu berechnet, wenn sich der Betrachter bewegt oder sich z. B. die Umgebungslichtbedingungen ändern, was die Größe der Eintrittspupille des Betrachters beeinflusst.The viewing system can be an eye of a viewer. The method may further include tracking the viewer's eye or head to determine at least the size and position of the entrance pupil of the viewing system. In some disclosed embodiments, the size and/or position of the entrance pupil(s) of the viewing system(s) is used as part of the method of determining the hologram. In some embodiments, the disclosed method is performed in real-time - e.g. B. with video rate - and the hologram is redefined, z. B. recalculated when the viewer moves or z. B. the ambient light conditions change, which affects the size of the viewer's entrance pupil.

Die Ausbreitung entlang jedes vom Pupillenexpander bereitgestellten Lichtwegs kann die Kombination der einzelnen komplexen Lichtfelder der jeweiligen einzelnen Lichtwege umfassen. Die einzelnen komplexen Lichtfelder können durch Addition kombiniert werden. Jeder Lichtausbreitungsweg einer Vielzahl verschiedener Lichtausbreitungswege, die der Pupillenexpander bereitstellt, wird einzeln betrachtet. Das komplexe Lichtfeld, das durch jeden Lichtweg gebildet wird, wird individuell bestimmt.The propagation along each light path provided by the pupil expander can include the combination of the individual complex light fields of the respective individual light paths. The individual complex light fields can be combined by addition. Each light propagation path of a variety of different light propagation paths provided by the pupil expander will be considered individually. The complex light field formed by each light path is determined individually.

Der Pupillenexpander kann ein Wellenleiterpupillenexpander sein. Jeder Lichtausbreitungsweg entspricht einer unterschiedlichen Anzahl von internen Reflexionen innerhalb des Wellenleiters. In einigen Ausführungsformen ist der Pupillenexpander ein Wellenleiter-Pupillenexpander mit einer im Wesentlichen eindimensionalen (d. h. länglichen) oder zweidimensionalen Form (z. B. im Wesentlichen planar, wie z. B. plattenförmig). In bestimmten Ausführungsformen wird die Austrittspupille in einer Längsrichtung oder -dimension des Bauteils erweitert. Der Pupillenexpander kann ein Paar gegenüberliegender oder komplementärer reflektierender Oberflächen aufweisen. Eine dieser Flächen kann nur teilweise reflektierend sein, damit das Licht an einer Reihe von Lichtaustrittspunkten oder Teilbereichen entweichen kann.The pupil expander can be a waveguide pupil expander. Each light propagation path corresponds to a different number of internal reflections within the waveguide. In some embodiments, the pupil expander is a waveguide pupil expander having a substantially one-dimensional (i.e., oblong) or two-dimensional shape (e.g., substantially planar, such as slab-shaped). In certain embodiments, the exit pupil is dilated in a longitudinal direction or dimension of the component. The pupil expander may have a pair of opposing or complementary reflective surfaces. One of these surfaces may be only partially reflective to allow light to escape at a series of light exit points or sub-areas.

Die Kombination der einzelnen komplexen Lichtfelder kann die Bestimmung einer seitlichen Position jedes einzelnen komplexen Lichtfeldes auf einer Ebene umfassen, die die Eintrittspupille enthält. Die Anzahl der internen Reflexionen innerhalb des Wellenleiters bestimmt die laterale Position.The combination of the individual complex light fields can determine a lateral Include the position of each individual complex light field on a plane containing the entrance pupil. The number of internal reflections within the waveguide determines the lateral position.

Das Kombinieren der einzelnen komplexen Lichtfelder kann ferner die Bestimmung einer Gesamtphasenverschiebung umfassen, die mit den internen Reflexionen jedes Lichtausbreitungswegs verbunden ist. Dies kann die Summierung einer Vielzahl von Phasenverschiebungen umfassen, die mit jedem Lichtausbreitungsweg verbunden sind, wobei jede Phasenverschiebung aus einer Reflexion innerhalb des Pupillenerweiterers resultiert.Combining the individual complex light fields may further include determining an overall phase shift associated with the internal reflections of each light propagation path. This may involve the summation of a plurality of phase shifts associated with each light propagation path, each phase shift resulting from a reflection within the pupil dilator.

Ferner wird hier eine Hologramm-Maschine offenbart, die so beschaffen ist, dass sie ein Hologramm eines Bildes für die Betrachtung durch eine Head-up-Anzeige bestimmt. Die Head-up-Anzeige umfasst eine Anzeigevorrichtung und einen Pupillenerweiterer. Die Head-up-Anzeige ist so konfiguriert, dass sie mit mindestens einem Betrachtungssystem arbeitet. Jedes Betrachtungssystem umfasst eine Eintrittspupille in einer Eintrittspupillenebene, eine Linse in einer Linsenebene und einen Sensor in einer Sensorebene. Das Head-up-Display kann so konfiguriert sein, dass es mit einem Paar von Sichtsystemen, wie z. B. einem Augenpaar, funktioniert. Die Anzeigevorrichtung (z. B. ein räumlicher Lichtmodulator) ist so angeordnet, dass sie das Hologramm anzeigt. Die Pupillenerweiterung ist so angeordnet, dass sie Licht empfängt, das in Übereinstimmung mit dem Hologramm räumlich moduliert ist. Das angezeigte Hologramm kann zum Beispiel mit zumindest teilweise kohärentem Licht von einer Quelle beleuchtet werden. Die Anzeigevorrichtung moduliert das empfangene Licht räumlich entsprechend dem angezeigten Hologramm. Die Hologramm-Maschine ist so angeordnet, dass sie ein erstes komplexes Lichtfeld an der Eintrittspupille eines Betrachtungssystems bestimmt. Das erste komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts von einer Anzeigeebene des Anzeigegeräts entlang jedes Lichtausbreitungspfads des Pupillenerweiterers. Das erste komplexe Lichtfeld ergibt sich ferner aus der Beschneidung in Übereinstimmung mit der Eintrittspupille des Betrachtungssystems. Die Hologrammmaschine ist ferner so eingerichtet, dass sie ein zweites komplexes Lichtfeld in einer Sensorebene eines Sensors des Betrachtungssystems bestimmt. Das zweite komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts des ersten komplexen Lichtfelds von der Eintrittspupille durch eine Linse des Betrachtungssystems. Das zweite komplexe Lichtfeld ergibt sich ferner aus der Modifikation der Amplitudenkomponente in Übereinstimmung mit dem Bild. Die Hologramm-Maschine ist ferner so eingerichtet, dass sie ein drittes komplexes Lichtfeld an der Eintrittspupille bestimmt. Das dritte komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts des zweiten komplexen Lichtfelds von der Sensorebene zurück durch das Objektiv. Das dritte komplexe Lichtfeld ergibt sich ferner aus der Beschneidung in Übereinstimmung mit der Eintrittspupille. Die Hologramm-Maschine ist weiterhin so eingerichtet, dass sie ein viertes komplexes Lichtfeld in der Anzeigeebene bestimmt. Das vierte komplexe Lichtfeld ergibt sich aus der Ausbreitung des Lichts des dritten komplexen Lichtfelds zurück entlang jeder Lichtausbreitung des Pupillenerweiterers. Das vierte komplexe Lichtfeld ergibt sich ferner aus der Beschneidung in Übereinstimmung mit der Anzeigevorrichtung. Die Hologramm-Maschine ist so eingerichtet, dass sie das Hologramm aus dem vierten Datensatz extrahiert. Die Hologramm-Engine kann in einem Anzeigetreiber wie einem Field Programmable Gate Array (FPGA) oder einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) untergebracht sein. Der Anzeigetreiber kann Teil einer Bilderzeugungseinheit („PGU“) für ein Head-up-Display („HUD“) sein.Also disclosed herein is a hologram engine configured to determine a hologram of an image for viewing by a head-up display. The head-up display includes a display device and a pupil dilator. The head-up display is configured to work with at least one viewing system. Each viewing system includes an entrance pupil in an entrance pupil plane, a lens in a lens plane, and a sensor in a sensor plane. The head-up display can be configured to interface with a pair of vision systems, such as B. a pair of eyes works. The display device (e.g. a spatial light modulator) is arranged to display the hologram. The pupil dilator is arranged to receive light that is spatially modulated in accordance with the hologram. For example, the displayed hologram may be illuminated with at least partially coherent light from a source. The display device spatially modulates the received light according to the displayed hologram. The hologram engine is arranged to determine a first complex field of light at the entrance pupil of a viewing system. The first complex field of light results from the propagation of light from a display plane of the display device along each light propagation path of the pupil dilator. The first complex light field also results from clipping in accordance with the entrance pupil of the viewing system. The hologram engine is further configured to determine a second complex light field in a sensor plane of a sensor of the viewing system. The second complex light field results from propagating the light of the first complex light field from the entrance pupil through a lens of the viewing system. The second complex light field also results from the modification of the amplitude component in accordance with the image. The hologram engine is further arranged to determine a third complex field of light at the entrance pupil. The third complex light field results from the propagation of the light of the second complex light field from the sensor plane back through the lens. The third complex light field also results from clipping in accordance with the entrance pupil. The hologram engine is further arranged to determine a fourth complex field of light in the display plane. The fourth complex light field results from propagating the light of the third complex light field back along each pupil dilator light propagation. The fourth complex light field also results from clipping in accordance with the display device. The hologram engine is set up to extract the hologram from the fourth data set. The hologram engine can reside in a display driver such as a Field Programmable Gate Array (FPGA) or an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). The display driver may be part of a picture generating unit ("PGU") for a head-up display ("HUD").

Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Hologramm oder eine Kinoform, die durch die Kanalisierung oder Lenkung von holografischem Licht gekennzeichnet ist. Insbesondere wird hier eine diffraktive Struktur offenbart, die so angeordnet ist, dass sie Licht räumlich moduliert, das durch ein Betrachtungssystem in ein Bild umgewandelt werden kann, wobei die diffraktive Struktur so konfiguriert ist, dass sie Licht in eine Vielzahl von Hologrammkanälen leitet, wobei jeder Hologrammkanal einem anderen Teil des Bildes entspricht.Aspects of the present disclosure relate to a hologram or kinoform characterized by the channeling or directing of holographic light. In particular, there is disclosed herein a diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into an image by a viewing system, the diffractive structure being configured to direct light into a plurality of hologram channels, each hologram channel corresponds to a different part of the image.

Die diffraktive Struktur kann auf einer Anzeigevorrichtung wie einem räumlichen Lichtmodulator angezeigt werden, z. B. einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) mit Flüssigkristallen auf Silizium (LCOS). Wenn die Anzeigevorrichtung, die die diffraktive Struktur anzeigt, in geeigneter Weise beleuchtet wird, ist die diffraktive Struktur so konfiguriert, dass sie das Licht räumlich moduliert, so dass das von der Anzeigevorrichtung emittierte Licht in die mehreren Hologrammkanäle geleitet wird. Zur Beleuchtung der gesamten diffraktiven Struktur kann eine einzige (d. h. eine gemeinsame) Lichtquelle verwendet werden. Die diffraktive Struktur kann eine Vielzahl von Pixeln umfassen, wobei jedes Pixel der diffraktiven Struktur Licht zu jedem der Hologrammkanäle beiträgt.The diffractive structure can be displayed on a display device such as a spatial light modulator, e.g. B. a spatial light modulator (SLM) with liquid crystals on silicon (LCOS). When the display device displaying the diffractive structure is suitably illuminated, the diffractive structure is configured to spatially modulate the light such that the light emitted by the display device is directed into the plurality of hologram channels. A single (i.e. common) light source can be used to illuminate the entire diffractive structure. The diffractive structure may include a plurality of pixels, with each pixel of the diffractive structure contributing light to each of the hologram channels.

Die Hologrammkanäle können stattdessen auch als „holografische Kanäle“ bezeichnet werden, da sie aus Lichtkanälen bestehen, die durch die diffraktive Struktur räumlich moduliert wurden.Instead, the hologram channels can also be referred to as "holographic channels" because they consist of light channels that have been spatially modulated by the diffractive structure.

Die diffraktive Struktur kann so angeordnet sein, dass sich die Hologrammkanäle in unterschiedlichen Winkeln von der diffraktiven Struktur ausbreiten. Das heißt, jeder Hologrammkanal ist durch einen eindeutigen Achsenwinkel oder ein Paar von Winkeln in Bezug auf die oben beschriebene Anzeigevorrichtung gekennzeichnet. Jeder dieser Winkel kann zwischen einer primären oder zentralen Bewegungsrichtung des jeweiligen Kanals und einem Punkt auf der Anzeigevorrichtung, z. B. einem zentralen Punkt auf der Anzeigevorrichtung, auf dem die diffraktive Struktur angezeigt wird, definiert sein. Jedes Pixel des Hologramms oder der diffraktiven Struktur kann zu jedem Kanal beitragen.The diffractive structure can be arranged such that the hologram channels propagate at different angles from the diffractive structure. That is, each hologram channel is through one unique axis angle or pair of angles with respect to the display device described above. Each of these angles can be between a primary or central direction of movement of the respective channel and a point on the display device, e.g. B. a central point on the display device on which the diffractive structure is displayed. Each pixel of the hologram or diffractive structure can contribute to each channel.

Jeder Hologrammkanal kann grundsätzlich räumlich moduliertes Licht in Übereinstimmung mit einem jeweils anderen Teil des Bildes enthalten. Das Wort „hauptsächlich“ wird verwendet, um zu verdeutlichen, dass es zu einer gewissen Überschneidung zwischen den Kanälen kommen kann, die jedoch relativ gering ist. Beispielsweise kann ein erster Kanal grundsätzlich (d. h. im Allgemeinen oder im Wesentlichen) einem ersten Winkelabschnitt des Sichtfeldes (d. h. des Bildes) entsprechen, und ein zweiter Kanal kann im Allgemeinen oder im Wesentlichen einem zweiten Winkelabschnitt des Sichtfeldes (d. h. des Bildes) entsprechen, aber es kann eine teilweise Überlappung zwischen dem ersten und dem zweiten Winkelabschnitt geben. Das heißt, der erste Kanal und der zweite Kanal können beide Informationen eines sich überlappenden Bereichs des Sichtfelds kodieren.Each hologram channel can basically contain spatially modulated light corresponding to a different part of the image. The word "mainly" is used to indicate that there may be some overlap between channels, but it is relatively small. For example, a first channel may generally (i.e., generally or substantially) correspond to a first angular portion of the field of view (i.e., image), and a second channel may generally or substantially correspond to a second angular portion of the field of view (i.e., image), but it there may be a partial overlap between the first and second angle sections. That is, the first channel and the second channel can both encode information of an overlapping area of the field of view.

Jeder Kanal entspricht einem Teilbereich des Bildes (d. h. einem Winkelbereich des Sichtfeldes). Zwar kann es zwischen den Teilbereichen zu einer teilweisen Überlappung kommen (wie oben beschrieben), doch ist jeder Kanal eindeutig einem Punkt im Sichtfeld zugeordnet, der den Mittelpunkt des entsprechenden Teilbereiches bildet. In einigen Ausführungsformen haben die Unterbereiche die gleiche Größe und/oder Form. In anderen Ausführungsformen haben die Teilbereiche unterschiedliche Größen und/oder Formen. In einigen Ausführungsformen wird die Form jedes Teilbereichs durch die Form des Anzeigegeräts bestimmt, genauer gesagt durch die Form des Bereichs, der die Pixelanordnung begrenzt.Each channel corresponds to a sub-area of the image (i.e. an angular range of the field of view). While there may be a partial overlap between the sub-regions (as described above), each channel is uniquely associated with a point in the field of view that is the center of the corresponding sub-region. In some embodiments, the sub-regions are the same size and/or shape. In other embodiments, the portions have different sizes and/or shapes. In some embodiments, the shape of each sub-area is determined by the shape of the display device, more specifically by the shape of the area bounding the pixel array.

Die diffraktive Struktur kann so beschaffen sein, dass sie die Phase des Lichts räumlich moduliert.The diffractive structure can be designed to spatially modulate the phase of the light.

Die diffraktive Struktur kann so beschaffen sein, dass sie das Licht durch einen Wellenleiter leitet. Der Wellenleiter kann für eine Pupillenerweiterung oder eine Pupillenvervielfältigung eingerichtet sein.The diffractive structure can be designed to direct the light through a waveguide. The waveguide can be set up for pupil dilation or pupil multiplication.

Die Querschnittsform des Lichtmusters, das durch jeden Hologrammkanal gebildet werden kann, kann im Wesentlichen der Form einer Eingangsöffnung des Betrachtungssystems entsprechen. Die Größe des Querschnitts eines jeden Kanals kann auch im Wesentlichen der Größe der Eingangsöffnung entsprechen, wenn der Querschnitt in der Ebene der Eingangsöffnung betrachtet wird. Der Querschnitt kann so bemessen sein, dass er ähnlich groß, aber größer als die Eingangsöffnung ist, wenn der Querschnitt in der Ebene der Eingangsöffnung betrachtet wird.The cross-sectional shape of the light pattern that can be formed by each hologram channel can correspond substantially to the shape of an entrance aperture of the viewing system. The size of the cross-section of each channel can also correspond substantially to the size of the entrance opening when the cross-section is viewed in the plane of the entrance opening. The cross-section may be dimensioned to be similar in size to, but larger than, the entrance opening when the cross-section is viewed in the plane of the entrance opening.

Die Hologrammkanäle können räumlich getrennt oder zumindest teilweise räumlich getrennt sein. Die Kanäle können sich auffächern oder divergieren, um sich räumlich voneinander zu trennen, wenn sie sich von der diffraktiven Struktur in Richtung eines Betrachters oder eines Betrachtungssystems ausbreiten. In einigen Ausführungsformen fächern sich die Kanäle nur in einer Richtung/Dimension auf, z. B. in horizontaler Richtung.The hologram channels can be spatially separated or at least partially spatially separated. The channels may fan out or diverge to separate spatially as they propagate from the diffractive structure toward a viewer or viewing system. In some embodiments, the channels fan out in only one direction/dimension, e.g. B. in the horizontal direction.

Ferner wird hier ein System offenbart, das die diffraktive Struktur, einen Wellenleiter, der so angeordnet ist, dass er das räumlich modulierte Licht von der diffraktiven Struktur empfängt, und ein Betrachtungssystem umfasst, das so angeordnet ist, dass es das räumlich modulierte Licht über den Wellenleiter empfängt.Also disclosed herein is a system that includes the diffractive structure, a waveguide arranged to receive the spatially modulated light from the diffractive structure, and a viewing system arranged to receive the spatially modulated light across the waveguide receives.

Das System kann so eingerichtet werden, dass das Licht jedes Hologrammkanals einen anderen optischen Weg von der diffraktiven Struktur zum Betrachtungssystem nimmt.The system can be set up so that the light of each hologram channel takes a different optical path from the diffractive structure to the viewing system.

Die verschiedenen optischen Pfade können eine unterschiedliche Anzahl von Reflexionen innerhalb des Wellenleiters umfassen. Die verschiedenen optischen Pfade können unterschiedliche Längen haben. Die verschiedenen optischen Pfade können in unterschiedlichen Winkeln durch die Eingangsöffnung des Betrachtungssystems verlaufen.The different optical paths may involve a different number of reflections within the waveguide. The different optical paths can have different lengths. The various optical paths may pass through the entrance aperture of the viewing system at different angles.

Der Wellenleiter kann so angeordnet sein, dass alle Hologrammkanäle an jeder Betrachtungsposition auf einer Betrachtungsebene durch die Eingangsöffnung des Betrachtungssystems geführt werden. Der Wellenleiter darf jeden Hologrammkanal für jede zulässige Betrachtungsposition nur über einen optischen Pfad zum Betrachtungssystem leiten.The waveguide can be arranged so that all hologram channels at each viewing position on a viewing plane pass through the input aperture of the viewing system. The waveguide must only guide each hologram channel through one optical path to the viewing system for each permissible viewing position.

Mindestens zwei Hologrammkanäle aus der Vielzahl der Hologrammkanäle können sich an der Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems teilweise überlappen.At least two of the plurality of hologram channels can partially overlap at the entrance aperture of the viewing system.

Die diffraktive Struktur kann eine Kinoform oder ein Hologramm sein. Es kann sich um ein computergeneriertes Hologramm handeln. Eine Hologramm-Maschine oder ein anderes Steuergerät oder ein Prozessor kann zur Ausgabe von Signalen vorgesehen werden, um eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung der diffraktiven Struktur zu steuern.The diffractive structure can be a kinoform or a hologram. It can be a computer generated hologram. A hologram engine or other controller or processor may be provided to output signals to drive a display device to display the diffractive structure.

Der Begriff „Hologramm“ bezieht sich auf die Aufzeichnung, die Amplituden- oder Phaseninformationen oder eine Kombination davon über das Objekt enthält. Der Begriff „holographische Rekonstruktion“ bezieht sich auf die optische Rekonstruktion des Objekts, die durch Beleuchtung des Hologramms entsteht. Das hier beschriebene System wird als „holografischer Projektor“ bezeichnet, weil die holografische Rekonstruktion ein reales Bild sein kann und räumlich vom Hologramm getrennt ist. Der Begriff „Wiedergabefeld“ bezieht sich auf den 2D-Bereich, in dem die holografische Rekonstruktion gebildet und vollständig fokussiert wird. Wenn das Hologramm auf einem räumlichen Lichtmodulator mit Pixeln dargestellt wird, wird das Wiedergabefeld in Form einer Vielzahl von gebeugten Ordnungen wiederholt, wobei jede gebeugte Ordnung eine Nachbildung des Wiedergabefeldes nullter Ordnung ist. Das Wiedergabefeld nullter Ordnung entspricht im Allgemeinen dem bevorzugten oder primären Wiedergabefeld, da es das hellste Wiedergabefeld ist. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, bezieht sich der Begriff „Wiedergabefeld“ auf das Wiedergabefeld nullter Ordnung. Der Begriff „Wiedergabeebene“ bezieht sich auf die Ebene im Raum, die alle Wiedergabefelder enthält. Die Begriffe „Bild“, „Wiedergabebild“ und „Bildbereich“ beziehen sich auf Bereiche des Wiedergabefeldes, die vom Licht der holografischen Rekonstruktion beleuchtet werden. In einigen Ausführungsformen kann das „Bild“ aus einzelnen Punkten bestehen, die als „Bildpunkte“ oder der Einfachheit halber als „Bildpixel“ bezeichnet werden können.The term "hologram" refers to the recording that contains amplitude or phase information, or a combination thereof, about the object. The term "holographic reconstruction" refers to the optical reconstruction of the object created by illuminating the hologram. The system described here is called a "holographic projector" because the holographic reconstruction can be a real image and is spatially separated from the hologram. The term "display field" refers to the 2D area in which the holographic reconstruction is formed and fully focused. When the hologram is displayed on a pixelated spatial light modulator, the display panel is repeated as a plurality of diffracted orders, each diffracted order being a zero-order replica of the display panel. The zero-order display panel generally corresponds to the preferred or primary display panel because it is the brightest display panel. Unless expressly stated otherwise, the term "replayfield" refers to the zero-order replayfield. The term "playback plane" refers to the plane in space that contains all the playfields. The terms "image", "replay image" and "image area" refer to areas of the display field that are illuminated by the light of the holographic reconstruction. In some embodiments, the "image" may consist of individual points, which may be referred to as "image points" or, for the sake of simplicity, "image pixels".

Die Begriffe „Kodierung“, „Schreiben“ oder „Adressierung“ werden verwendet, um den Prozess zu beschreiben, bei dem die Vielzahl von Pixeln des SLM mit einer entsprechenden Vielzahl von Steuerwerten versehen wird, die jeweils den Modulationsgrad jedes Pixels bestimmen. Man kann sagen, dass die Pixel des SLM so konfiguriert sind, dass sie als Reaktion auf den Empfang der mehreren Steuerwerte eine Lichtmodulationsverteilung „anzeigen“. Man kann also sagen, dass der SLM ein Hologramm „anzeigt“, und das Hologramm kann als eine Anordnung von Lichtmodulationswerten oder -pegeln betrachtet werden.The terms "encoding", "writing" or "addressing" are used to describe the process of providing the plurality of pixels of the SLM with a corresponding plurality of control values, each of which determines the degree of modulation of each pixel. The pixels of the SLM can be said to be configured to "display" a light modulation distribution in response to receiving the multiple control values. Thus, the SLM can be said to "display" a hologram, and the hologram can be viewed as an array of light modulation values or levels.

Es hat sich gezeigt, dass eine holografische Rekonstruktion von akzeptabler Qualität aus einem „Hologramm“ erstellt werden kann, das nur Phaseninformationen in Bezug auf das ursprüngliche Objekt (d. h. das Zielbild für die Rekonstruktion) enthält. Eine solche holografische Aufzeichnung kann als reines Phasenhologramm bezeichnet werden. Die Ausführungsformen beziehen sich auf ein reines Phasenhologramm, aber die vorliegende Offenbarung ist auch auf die reine Amplitudenholografie anwendbar. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf eine bestimmte Methode der Hologrammberechnung beschränkt. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf Punktwolkenhologramme - d. h. Hologramme, die mit Punktwolkenmethoden erstellt wurden - nur als Beispiel. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch gleichermaßen auf Fourier- oder Fresnel-Hologramme und auf Hologramme anwendbar, die nach anderen Verfahren wie der kohärenten Strahlenverfolgung berechnet wurden.It has been shown that a holographic reconstruction of acceptable quality can be made from a "hologram" that contains only phase information related to the original object (i.e. the target image for the reconstruction). Such a holographic recording can be referred to as a pure phase hologram. The embodiments relate to a pure phase hologram, but the present disclosure is also applicable to pure amplitude holography. The present disclosure is not limited to any particular method of hologram calculation. Some embodiments relate to point cloud holograms - i. H. Holograms created with point cloud methods - just as an example. However, the present disclosure is equally applicable to Fourier or Fresnel holograms and to holograms computed by other methods such as coherent ray tracing.

Die vorliegende Offenlegung gilt auch für die Bildung einer holografischen Rekonstruktion unter Verwendung von Amplituden- und Phaseninformationen, die sich auf das Originalobjekt (d. h. das Zielbild) beziehen. In einigen Ausführungsformen wird dies durch komplexe Modulation unter Verwendung eines sogenannten vollkomplexen Hologramms erreicht, das sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen in Bezug auf das ursprüngliche Objekt enthält. Ein solches Hologramm kann als vollkomplexes Hologramm bezeichnet werden, weil der jedem Pixel des Hologramms zugewiesene Wert (Grauwert) eine Amplituden- und eine Phasenkomponente hat. Der jedem Pixel zugewiesene Wert (Grauwert) kann als komplexe Zahl dargestellt werden, die sowohl Amplituden- als auch Phasenkomponenten aufweist. In einigen Ausführungsformen wird ein vollkomplexes computergeneriertes Hologramm berechnet.The present disclosure also applies to forming a holographic reconstruction using amplitude and phase information related to the original object (i.e., the target image). In some embodiments, this is achieved through complex modulation using a so-called full complex hologram that contains both amplitude and phase information related to the original object. Such a hologram can be called a full complex hologram because the value (gray level) assigned to each pixel of the hologram has an amplitude and a phase component. The value (gray level) assigned to each pixel can be represented as a complex number that has both amplitude and phase components. In some embodiments, a fully complex computer generated hologram is computed.

Es kann auf den Phasenwert, die Phasenkomponente, die Phaseninformation oder einfach auf die Phase der Pixel des computergenerierten Hologramms oder des räumlichen Lichtmodulators als Abkürzung für „Phasenverzögerung“ verwiesen werden. Das heißt, jeder beschriebene Phasenwert ist tatsächlich eine Zahl (z. B. im Bereich von 0 bis 2⍰), die den Betrag der Phasenverzögerung darstellt, der von diesem Pixel geliefert wird. So verzögert beispielsweise ein Pixel des räumlichen Lichtmodulators mit einem Phasenwert von π/2 die Phase des empfangenen Lichts um π/2 Radiant. In einigen Ausführungsformen kann jedes Pixel des räumlichen Lichtmodulators mit einem von mehreren möglichen Modulationswerten (z. B. Phasenverzögerungswerten) betrieben werden. Der Begriff „Graustufe“ kann verwendet werden, um sich auf die Vielzahl der verfügbaren Modulationsstufen zu beziehen. Beispielsweise kann der Begriff „Graustufe“ der Einfachheit halber verwendet werden, um sich auf die Vielzahl der verfügbaren Phasenstufen in einem reinen Phasenmodulator zu beziehen, auch wenn unterschiedliche Phasenstufen keine unterschiedlichen Grautöne ergeben. Der Begriff „Graustufe“ kann auch der Einfachheit halber für die Vielzahl der verfügbaren komplexen Modulationsstufen in einem komplexen Modulator verwendet werden.It can be referred to as the phase value, phase component, phase information, or simply the phase of the pixels of the computer generated hologram or spatial light modulator as short for "phase delay". That is, each phase value described is actually a number (e.g., ranging from 0 to 2⍰) that represents the amount of phase delay provided by that pixel. For example, a spatial light modulator pixel with a phase value of π/2 retards the phase of the received light by π/2 radians. In some embodiments, each pixel of the spatial light modulator can be operated with one of several possible modulation values (e.g. phase delay values). The term "grayscale" can be used to refer to the variety of levels of modulation available. For example, the term "gray level" can be used for convenience to refer to the variety of phase levels available in a pure phase modulator, even though different phase levels do not result in different shades of gray. The term "grayscale" can also be used for convenience to refer to the variety of complex modulation levels available in a complex modulator.

Das Hologramm besteht daher aus einer Reihe von Graustufen, d. h. aus einer Reihe von Lichtmodulationswerten, wie z. B. einer Reihe von Phasenverzögerungswerten oder komplexen Modulationswerten. Das Hologramm wird auch als diffraktives Muster betrachtet, da es ein Muster ist, das Beugung verursacht, wenn es auf einem räumlichen Lichtmodulator angezeigt und mit Licht beleuchtet wird, dessen Wellenlänge mit dem Pixelabstand des räumlichen Lichtmodulators vergleichbar ist, im Allgemeinen aber geringer ist. Es wird hier auf die Kombination des Hologramms mit anderen Beugungsmustern verwiesen, z. B. mit Beugungsmustern, die als Linse oder Gitter funktionieren. So kann beispielsweise ein diffraktives Muster, das als Gitter fungiert, mit einem Hologramm kombiniert werden, um das Wiedergabefeld auf der Wiedergabeebene zu verschieben, oder ein diffraktives Muster, das als Linse fungiert, kann mit einem Hologramm kombiniert werden, um die holografische Rekonstruktion auf eine Wiedergabeebene im Nahfeld zu fokussieren.The hologram therefore consists of a series of gray levels, ie a series of light modulation values, e.g. B. a series of phase delay values or complex modulation values. The hologram is also considered a diffractive pattern because it is a pattern that causes diffraction when displayed on a spatial light modulator and illuminated with light whose wavelength is comparable to, but generally smaller than, the pixel pitch of the spatial light modulator. Reference is made here to the combination of the hologram with other diffraction patterns, e.g. B. with diffraction patterns that function as a lens or grating. For example, a diffractive pattern acting as a grating can be combined with a hologram to shift the display field on the display plane, or a diffractive pattern acting as a lens can be combined with a hologram to optimize the holographic reconstruction to a to focus the reproduction plane in the near field.

Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Gruppen von Ausführungsformen in der folgenden detaillierten Beschreibung getrennt offenbart werden können, kann jedes Merkmal einer Ausführungsform oder einer Gruppe von Ausführungsformen mit jedem anderen Merkmal oder jeder Kombination von Merkmalen einer Ausführungsform oder einer Gruppe von Ausführungsformen kombiniert werden. Das heißt, dass alle möglichen Kombinationen und Permutationen von Merkmalen, die in der vorliegenden Offenbarung offenbart werden, in Betracht gezogen werden.Although various embodiments and groups of embodiments may be disclosed separately in the following detailed description, any feature of an embodiment or group of embodiments may be combined with any other feature or combination of features of an embodiment or group of embodiments. That is, all possible combinations and permutations of features disclosed in the present disclosure are contemplated.

Die folgenden nummerierten Posten werden ebenfalls offenbart:

  1. 1. Eine Lichtmaschine, die so angeordnet ist, dass sie ein Betrachtungssystem mit einer Eintrittspupille mit räumlich moduliertem Licht versorgt, wobei das Anzeigesystem umfasst:
    • eine Anzeigevorrichtung, die so beschaffen ist, dass sie ein Hologramm anzeigt und Licht in Übereinstimmung mit dem Hologramm räumlich moduliert; und
    • eine Hologramm-Maschine, die so angeordnet ist, dass sie Beitragsinformationen empfängt, die beitragende und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung auf der Grundlage des Ortes der Eintrittspupille identifizieren, wobei die beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen räumlich moduliertes Licht ausbreiten, das durch die Eintrittspupille an dem Ort hindurchgeht, und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen räumlich moduliertes Licht ausbreiten, das von der Eintrittspupille an dem Ort aufgehalten wird,
    • wobei die Beitragsinformation ferner (i) mindestens einen primär beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung, der Licht zum Betrachtungssystem ausbreitet, der zu einem Primärbild beiträgt, und (ii) mindestens einen sekundär beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung, der Licht zum Betrachtungssystem ausbreitet, der zu einem Sekundärbild beiträgt, identifiziert, wobei
    • die Hologramm-Maschine ist ferner so eingerichtet, dass sie ein Hologramm auf der Grundlage des mindestens einen primären beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung bestimmt und das Hologramm zur Anzeige an die Anzeigevorrichtung ausgibt.
  2. 2. Lichtmaschine gemäß Punkt 1, wobei die Lichtmaschine ferner ein Überwachungssystem umfasst, das so angeordnet ist, dass es den Ort der Eintrittspupille des Betrachtungssystems bestimmt.
  3. 3. Lichtmaschine gemäß Punkt 1 oder Punkt 2, wobei die Lichtmaschine ferner einen Wellenleiter umfasst, der so angeordnet ist, dass er das räumlich modulierte Licht von der Anzeigevorrichtung empfängt und eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtausbreitungspfade für das räumlich modulierte Licht von der Anzeigevorrichtung zur Eintrittspupille bereitstellt, wobei jeder beitragende Bereich einem unterschiedlichen jeweiligen Lichtausbreitungspfad entspricht, der von dem Wellenleiter bereitgestellt wird.
  4. 4. Lichtmaschine nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei das Betrachtungssystem so angeordnet ist, dass es ein dem Hologramm entsprechendes Bild erzeugt.
  5. 5. Eine Lichtmaschine wie in Punkt 4, wobei das Primärbild eine erste Version des Bildes und das Sekundärbild eine zweite Version des Bildes umfasst.
  6. 6. Lichtmaschine wie in einem der vorangehenden Punkte, wobei die Beitragsinformation jeweilige beitragende und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung für jeden einer Vielzahl von Bildpunkten des Bildes identifiziert.
  7. 7. Eine Lichtmaschine wie in Punkt 6, wobei das Hologramm eine Vielzahl von Teilhologrammen umfasst, wobei jedes Teilhologramm von der Hologrammmaschine auf der Grundlage der Beitragsinformation eines jeweiligen Bildpunktes des Bildes bestimmt wird.
  8. 8. Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms zur Anzeige auf einer Anzeigevorrichtung, wobei das Verfahren umfasst:
    1. (i) Bestimmung des Ortes der Eintrittspupille eines Betrachtungssystems, das für die Betrachtung des Hologramms eingerichtet ist;
    2. (ii) Identifizieren von beitragenden Bereichen und nicht beitragenden Bereichen der Anzeigevorrichtung, wobei die beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen Licht ausbreiten, das durch die Eintrittspupille des Betrachtungssystems an dem bestimmten Ort hindurchgeht, und nicht beitragende Bereiche der Anzeigevorrichtung im Wesentlichen Licht ausbreiten, das durch die Eintrittspupille des Betrachtungssystems an dem bestimmten Ort aufgehalten wird; und
    3. (iii) Identifizieren mindestens eines primären beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung, der Licht liefert, das zu einem Primärbild beiträgt, und mindestens eines sekundären beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung, der Licht liefert, das zu einem Sekundärbild beiträgt; und
    4. (iv) Bestimmen des Hologramms auf der Grundlage des mindestens einen primär beitragenden Bereichs der Anzeigevorrichtung.
  9. 9. Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms wie in Punkt 8, wobei die Schritte (ii) bis (iv) für jeden Bildpunkt einer Vielzahl von Bildpunkten des Bildes ausgeführt werden und wobei das Bestimmen eines Ortes jedes beitragenden Bereichs für jeden Bildpunkt das Identifizieren eines Ortes umfasst, an dem ein Lichtstrahl, der sich von dem Bildpunkt zu der Eintrittspupille bewegt, die Anzeigevorrichtung schneidet.
  10. 10. Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms gemäß Punkt 8 oder 9, wobei das Betrachtungssystem einen Wellenleiter umfasst, der so angeordnet ist, dass er räumlich moduliertes Licht von der Anzeigevorrichtung empfängt und eine Vielzahl verschiedener Lichtausbreitungspfade für das räumlich modulierte Licht von der Anzeigevorrichtung zur Eintrittspupille bereitstellt, und wobei der Schritt (iii) für jeden Bildpunkt das Bestimmen einer Anzahl interner Reflexionen, B, innerhalb der Wellenleiter-Pupillenerweiterung entsprechend dem Primärbild umfasst.
  11. 11. Verfahren gemäß Punkt 10, wobei der Schritt des Bestimmens der Anzahl der internen Reflexionen (B) auf einem Winkel basiert, der dem entsprechenden Bildpunkt zugeordnet ist, wobei der Winkel der Winkel zur optischen Achse einer Linie ist, die durch Extrapolieren einer Linie, die den Mittelpunkt der Anzeigevorrichtung und die bestimmte Eintrittspupillenposition verbindet, auf das Bild gebildet wird.
  12. 12. Verfahren gemäß Punkt 11, bei dem jeder beitragende Bereich eine Größe hat, die auf dem Durchmesser der Eintrittspupille basiert.
  13. 13. Verfahren wie in einem der Punkte 8 bis 12, wobei die Schritte (ii) und (iii) für jeden Bildpunkt umfassen:
    • Strahlenverfolgung vom Bildpunkt [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] zu einer Betrachtungsebene des Betrachtungssystems für B-Lichtreflexionen innerhalb des Wellenleiters, um eine Position [xsensor, ysensor] auf der Betrachtungsebene zu identifizieren;
    • Bestimmung der Koordinaten [xLCOS (B), yLCOS (B)] des Hauptlichtstrahls an der Anzeigevorrichtung für die Lichtausbreitung mit B-Reflexionen vom Bildpunkt [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] zur Position [xsensor, ysensor] in der Betrachtungsebene; und
    • Identifizierung aktiver Pixel der Anzeigevorrichtung innerhalb eines durch [xLCOS (B), yLCOS (B)] definierten Bereichs.
  14. 14. Verfahren nach einem der Punkte 8 bis 13, wobei der Schritt (iv) die Bestimmung eines oder mehrerer Werte für das Hologramm nur in dem mindestens einen primär beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung umfasst.
  15. 15. Verfahren nach einem der Punkte 8 bis 13, das ferner den Ausschluss von Werten für das Hologramm in einem Bereich der Anzeigevorrichtung umfasst, der nicht in dem primären beitragenden Bereich enthalten ist.
  16. 16. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms nach einem der Punkte 8 bis 13, wobei Schritt (iv) das Ausschließen von Hologrammwerten, die mit mindestens einem sekundären beitragenden Bereich verbunden sind, während der Bestimmung des Hologramms umfasst.
  17. 17. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms nach einem der Punkte 8 bis 13, wobei der Schritt (iv) die Beschränkung der Hologrammbestimmung ausschließlich auf den mindestens einen primär beitragenden Bereich der Anzeigevorrichtung umfasst.
  18. 18. Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms wie in einem der Punkte 8 bis 17, wobei Schritt (iv) das Bestimmen eines Teilhologramms innerhalb des jeweiligen mindestens einen primären beitragenden Bereichs für jeden Bildpunkt und das Kombinieren der Teilhologramme zum Bilden des Hologramms umfasst.
  19. 19. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms gemäß Punkt 18, wobei jedes Teilhologramm eine Amplituden- und/oder Phasenhologrammkomponente umfasst, die durch Ausbreitung einer Lichtwelle von [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] zu dem entsprechenden primären Beitragsbereich bestimmt wird.
  20. 20. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms nach einem der Punkte 8 bis 13, bei dem für jeden Bildpunkt ein zusätzlicher Bereich der Anzeigevorrichtung identifiziert wird, der zu B+DB-Aufprallvorgängen beiträgt.
  21. 21. Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms wie in Punkt 20, wobei das Identifizieren eines zusätzlichen beitragenden Bereichs umfasst:
    • Strahlenverfolgung zurück von [xsensor, ysensor] zur virtuellen Bildebenezvirtual für B+ΔB Bounces;
      • Bestimmung der virtuellen Punktkoordinaten [xvirtuell(DB),yvirtuell(DB), zvirtuell], die für B+DB-Reflexionen auf [xsensor, ysensor] abgebildet werden;
      • Bestimmung der Koordinaten [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB)] eines Hauptstrahls an der Anzeigevorrichtung für die Lichtausbreitung von [xvirtuell(DB), yvirtuell(DB), zvirtuell] zur Betrachtungsebene mit B+DB-Bounces; und
      • Identifizierung zusätzlicher aktiver Pixel der Anzeigevorrichtung innerhalb eines zweiten Bereichs, der durch [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB)] definiert ist.
  22. 22. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms gemäß Punkt 21, das ferner die Bestimmung eines zusätzlichen Teilhologramms für jedes zusätzliche aktive Pixel und die Kombination der zusätzlichen Teilhologramme mit den Teilhologrammen umfasst.
  23. 23. Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms wie in Punkt 22, wobei jedes zusätzliche Teilhologramm eine Amplituden- und/oder Phasenhologrammkomponente umfasst, die durch Ausbreitung einer Lichtwelle von [xvirtuell(DB), yvirtuell(DB), zvirtuell] zu dem zusätzlichen beitragenden Bereich bestimmt wird.
  24. 24. Eine Lichtmaschine oder ein Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms wie in einem der vorhergehenden Punkte, wobei das Hologramm so konfiguriert ist, dass das primäre Bild und mindestens ein sekundäres Bild virtuelle Bilder sind, die jeweils einen nicht-unendlichen virtuellen Bildabstand haben.
  25. 25. Lichtmaschine oder Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms wie im vorhergehenden Punkt, wobei eine Anzeigefläche der Anzeigevorrichtung eine erste Abmessung von weniger als 5 cm, wie weniger als 2 cm oder weniger als 1 cm, aufweist.
  26. 26. Eine Lichtmaschine oder ein Verfahren zur Bestimmung eines Hologramms wie im vorhergehenden Punkt, wobei ein Abstand von der Anzeigevorrichtung zur Eintrittspupille des Betrachtungssystems gleich oder größer als 20 cm oder 50 cm, wie z.B. größer als 75 cm oder größer als 100 cm ist.
  27. 27. Lichtmaschine oder Verfahren zum Bestimmen eines Hologramms wie in einem der vorhergehenden Punkte, wobei ein Wellenleiter so angeordnet ist, dass er räumlich moduliertes Licht von der Anzeigevorrichtung empfängt, und wobei das primäre Bild ein ausgewähltes Bild aus einer Vielzahl von durch den Wellenleiter gebildeten Bildern ist, das die größte Leuchtdichte aufweist.
The following numbered items are also revealed:
  1. 1. An alternator arranged to provide spatially modulated light to a viewing system having an entrance pupil, the display system comprising:
    • a display device arranged to display a hologram and spatially modulate light in accordance with the hologram; and
    • a hologram engine arranged to receive contribution information identifying contributing and non-contributing areas of the display based on the location of the entrance pupil, the contributing areas of the display substantially propagating spatially modulated light passing through the entrance pupil passes through the location, and non-contributing areas of the display propagate substantially spatially modulated light stopped by the entrance pupil at the location,
    • wherein the contribution information further (i) at least one primary contributing area of the display device that spreads light to the viewing system that contributes to a primary image, and (ii) at least one secondary contributing area of the display device that spreads light to the viewing system that contributes to a secondary image , identified where
    • the hologram engine is further configured to determine a hologram based on the at least one primary contributing area of the display device and to output the hologram to the display device for display.
  2. 2. The alternator according to item 1, wherein the alternator further comprises a monitoring system arranged to determine the location of the entrance pupil of the viewing system.
  3. 3. The light engine according to item 1 or item 2, wherein the light engine further comprises a waveguide arranged to receive the spatially modulated light from the display device and to provide a plurality of different light propagation paths for the spatially modulated light from the display device to the entrance pupil, each contributing region corresponding to a different respective light propagation path provided by the waveguide.
  4. 4. Alternator according to any one of items 1 to 3, wherein the viewing system is arranged to produce an image corresponding to the hologram.
  5. 5. An alternator as in item 4, wherein the primary image comprises a first version of the image and the secondary image comprises a second version of the image.
  6. 6. An alternator as in any preceding item, wherein the contribution information identifies respective contributing and non-contributing areas of the display device for each of a plurality of pixels of the image.
  7. 7. A light engine as in item 6, wherein the hologram comprises a plurality of sub-holograms, each sub-hologram being determined by the hologram engine based on the contribution information of a respective pixel of the image.
  8. 8. A method of designating a hologram for display on a display device, the method comprising:
    1. (i) determining the location of the entrance pupil of a viewing system arranged to view the hologram;
    2. (ii) Identifying contributing areas and non-contributing areas of the display, wherein the contributing areas of the display substantially spread light that passes through the entrance pupil of the viewing system at the particular location, and non-contributing areas of the display substantially spread light that passes through stopping the entrance pupil of the viewing system at the specified location; and
    3. (iii) identifying at least one primary contributing area of the display device that provides light that contributes to a primary image and at least one secondary contributing area of the display device that provides light that contributes to a secondary image; and
    4. (iv) determining the hologram based on the at least one primary contributing area of the display device.
  9. 9. A method of determining a hologram as in item 8, wherein steps (ii) through (iv) are performed for each pixel of a plurality of pixels of the image and wherein determining a location of each contributing region for each pixel comprises identifying a location , where a ray of light traveling from the pixel to the entrance pupil intersects the display device.
  10. 10. A method for determining a hologram according to item 8 or 9, wherein the viewing system comprises a waveguide arranged to receive spatially modulated light from the display device and to provide a plurality of different light propagation paths for the spatially modulated light from the display device to the entrance pupil , and wherein step (iii) comprises, for each pixel, determining a number of internal reflections, B, within the waveguide pupil dilation corresponding to the primary image.
  11. 11. Method according to item 10, wherein the step of determining the number of internal reflections (B) is based on an angle associated with the corresponding pixel, the angle being the angle to the optical axis of a line obtained by extrapolating a line, connecting the center of the display device and the determined entrance pupil position onto which the image is formed.
  12. 12. The method of item 11, wherein each contributing region has a size based on the diameter of the entrance pupil.
  13. 13. Method as in any one of items 8 to 12, wherein steps (ii) and (iii) comprise for each pixel:
    • ray tracing from pixel [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to a viewing system viewing plane for B light reflections within the waveguide to identify a position [ xsensor , ysensor ] on the viewing plane;
    • determining the coordinates [x LCOS (B), y LCOS (B)] of the main light beam at the display device for light propagation with B reflections from the pixel [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the position [ xsensor , ysensor ] in the viewing plane; and
    • Identification of active pixels of the display device within an area defined by [x LCOS (B), y LCOS (B)].
  14. 14. The method according to any one of items 8 to 13, wherein step (iv) comprises determining one or more values for the hologram only in the at least one primary contributing area of the display device.
  15. 15. The method of any one of items 8 to 13, further comprising excluding values for the hologram in an area of the display device that is not included in the primary contributing area.
  16. 16. A method of determining a hologram according to any one of items 8 to 13, wherein step (iv) comprises excluding hologram values associated with at least one secondary contributing region during the determination of the hologram.
  17. 17. The method for determining a hologram according to any one of points 8 to 13, wherein step (iv) comprises restricting the hologram determination exclusively to the at least one primarily contributing area of the display device.
  18. 18. A method of determining a hologram as in any one of items 8 to 17, wherein step (iv) comprises determining a partial hologram within the respective at least one primary contributing region for each pixel and combining the partial holograms to form the hologram.
  19. 19. A method for determining a hologram according to item 18, wherein each sub-hologram comprises an amplitude and/or phase hologram component determined by propagating a lightwave from [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the corresponding primary contribution region.
  20. 20. Method of determining a hologram according to any one of items 8 to 13, in which an additional area of the display device that contributes to B+DB impact events is identified for each pixel.
  21. 21. A method of determining a hologram as in item 20, wherein identifying an additional contributing region comprises:
    • Ray tracing back from [ xsensor , ysensor ] to virtual image plane zvirtual for B+ΔB bounces;
      • Determination of the virtual point coordinates [ xvirtual (DB), yvirtual (DB), zvirtual ], which are mapped to [ xsensor , ysensor ] for B+DB reflections;
      • Determine the coordinates [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB)] of a principal ray at the display device for light propagation from [ xvirtual (DB), yvirtual (DB), zvirtual ] to the viewing plane with B+DB bounces ; and
      • Identify additional active pixels of the display device within a second region defined by [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB)].
  22. 22. A method of determining a hologram according to item 21, further comprising determining an additional sub-hologram for each additional active pixel and combining the additional sub-holograms with the sub-holograms.
  23. 23. A method of determining a hologram as in item 22, wherein each additional sub-hologram comprises an amplitude and/or phase hologram component determined by propagating a lightwave from [ xvirtual (DB), yvirtual (DB), zvirtual ] to the additional contributing region becomes.
  24. 24. An alternator or method for determining a hologram as in any preceding item, wherein the hologram is configured such that the primary image and at least one secondary image are virtual images each having a non-infinite virtual image spacing.
  25. 25. Light machine or method for determining a hologram as in the previous point, wherein a display surface of the display device has a first dimension of less than 5 cm, such as less than 2 cm or less than 1 cm.
  26. 26. An alternator or method for determining a hologram as in the preceding item, wherein a distance from the display device to the entrance pupil of the viewing system is equal to or greater than 20 cm or 50 cm, such as greater than 75 cm or greater than 100 cm.
  27. 27. An alternator or method of determining a hologram as in any preceding item, wherein a waveguide is arranged to receive spatially modulated light from the display device, and wherein the primary image is a selected one of a plurality of images formed by the waveguide is which has the greatest luminance.

Figurenlistecharacter list

Spezifische Ausführungsformen werden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:

  • 1 ist eine schematische Darstellung eines reflektierenden SLM, der eine holografische Rekonstruktion auf einem Bildschirm erzeugt;
  • 2A zeigt eine erste Iteration eines Beispielalgorithmus vom Typ Gerchberg-Saxton;
  • 2B zeigt die zweite und die folgenden Iterationen des Beispielalgorithmus vom Typ Gerchberg-Saxton;
  • 2C zeigt alternative zweite und weitere Iterationen des Gerchberg-Saxton-Beispielalgorithmus;
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines reflektierenden LCOS-SLM;
  • 4 zeigt den Winkelinhalt von Animationen, die sich über ein kleines Sichtfenster in Richtung einer Blende ausbreiten;
  • 5a zeigt ein Betrachtungssystem mit einer relativ geringen Ausbreitungsdistanz;
  • 5b zeigt ein Betrachtungssystem mit einer relativ großen Ausbreitungsdistanz;
  • 6a zeigt ein Betrachtungssystem mit einer relativ großen Ausbreitungsdistanz, das einen Wellenleiter enthält, um ein virtuelles Bild im Unendlichen zu erzeugen;
  • 6b zeigt eine vergrößerte Ansicht der optischen Pfade von 6a;
  • 7 zeigt, wie mit einem endlichen virtuellen Bild und einem Wellenleiter-Pupillenexpander Geisterbilder erzeugt werden können;
  • 8 zeigt ein virtuelles Bild, das aus einem Primärbild und zwei Geisterbildern besteht;
  • Die 9A bis 9C zeigen ein Beispiel, bei dem das gesamte LCOS verwendet wird, um einen Primärbildpunkt und zwei entsprechende Geisterbildpunkte zu erzeugen;
  • Die 10A bis 10C zeigen einen ersten, einen zweiten und einen dritten Ausbreitungspfad durch einen Wellenleiter, die jeweils zu einem zweiten Geisterpunkt, einem Hauptbildpunkt und einem ersten Geisterpunkt führen;
  • Die 11A bis 11C zeigen den Ausbreitungsweg und die LCOS-Nutzung in Bezug auf drei verschiedene Feld-/Bildpunkte;
  • 12A zeigt ein Betrachtungssystem mit einem virtuellen Bildpunkt und einem Bild dieses virtuellen Bildpunkts, das durch ein Betrachtungssystem und einen Wellenleiter gebildet wird;
  • 12B zeigt den primär beitragenden Bereich des LCOS in Bezug auf das Beispiel von 12A;
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines verbesserten Verfahrens zur Ableitung einer verbesserten Datenstruktur gemäß den Ausführungsformen;
  • 14 zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren verbesserten Methode zur Ableitung einer verbesserten Datenstruktur in Übereinstimmung mit Ausführungsformen;
  • 15 zeigt ein optisches System gemäß den Ausführungsformen;
  • 16 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen zeigt;
  • 17A zeigt ein Bild mit einer Vielzahl von Bildbereichen (unten) und ein entsprechendes Hologramm mit einer Vielzahl von Hologrammkomponenten (oben);
  • 17B zeigt ein Hologramm gemäß der vorliegenden Offenbarung, gekennzeichnet durch die Lenkung oder Kanalisierung von holografisch kodiertem Licht in eine Vielzahl von diskreten Hologrammkanälen; und
  • 17C zeigt ein optimiertes System, bei dem der Lichtinhalt jedes Hologrammkanals über einen anderen optischen Pfad zum Auge geleitet wird.
Specific embodiments are described by way of example only with reference to the following figures:
  • 1 Figure 12 is a schematic representation of a reflective SLM producing a holographic reconstruction on a screen;
  • 2A Figure 12 shows a first iteration of an example Gerchberg-Saxton algorithm;
  • 2 B Figure 12 shows the second and subsequent iterations of the example Gerchberg-Saxton algorithm;
  • 2C shows alternative second and further iterations of the example Gerchberg-Saxton algorithm;
  • 3 Figure 12 is a schematic representation of a reflective LCOS SLM;
  • 4 shows the angular content of animations propagating across a small viewing window towards a gate;
  • 5a shows a viewing system with a relatively short propagation distance;
  • 5b shows a viewing system with a relatively large propagation distance;
  • 6a Fig. 1 shows a viewing system with a relatively long propagation distance that includes a waveguide to create a virtual image at infinity;
  • 6b shows an enlarged view of the optical paths of FIG 6a ;
  • 7 shows how ghost images can be generated using a finite virtual image and a waveguide pupil expander;
  • 8th shows a virtual image composed of a primary image and two ghost images;
  • The 9A until 9C show an example where the entire LCOS is used to generate a primary pixel and two corresponding ghost pixels;
  • The 10A until 10C show first, second and third propagation paths through a waveguide leading to a second ghost spot, a main pixel and a first ghost spot, respectively;
  • The 11A until 11C show propagation path and LCOS usage in relation to three different field/pixel points;
  • 12A shows a viewing system with a virtual pixel and an image of this virtual pixel formed by a viewing system and a waveguide;
  • 12B shows the primary contributing area of the LCOS relative to the example of 12A ;
  • 13 12 shows a flow diagram of an improved method for deriving an improved data structure according to embodiments;
  • 14 12 shows a flow diagram of another improved method for deriving an improved data structure, in accordance with embodiments;
  • 15 12 shows an optical system according to the embodiments;
  • 16 Fig. 12 is a flow chart showing the steps of a method in accordance with the embodiments;
  • 17A shows an image with a plurality of image areas (bottom) and a corresponding hologram with a plurality of hologram components (top);
  • 17B Figure 12 shows a hologram in accordance with the present disclosure characterized by directing or channeling holographically encoded light into a plurality of discrete hologram channels; and
  • 17C shows an optimized system in which the light content of each hologram channel is directed to the eye via a different optical path.

In den Zeichnungen werden dieselben Referenznummern verwendet, um auf gleiche oder gleichartige Teile hinzuweisen.The same reference numbers are used throughout the drawings to refer to the same or like parts.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auf den vollen Umfang der beigefügten Ansprüche. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht als auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt verstanden werden, die zum Zwecke der Veranschaulichung dargelegt werden.The present invention is not limited to the embodiments described below, but extends to the full scope of the appended claims. That is, the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as limited to the described embodiments, which are presented for purposes of illustration.

Begriffe in der Einzahl können, sofern nicht anders angegeben, auch in der Mehrzahl verwendet werden.Unless otherwise specified, terms in the singular may also be used in the plural.

Eine Struktur, die als an einem oberen/unteren Teil einer anderen Struktur oder auf/unter der anderen Struktur liegend beschrieben wird, sollte so verstanden werden, dass sie einen Fall einschließt, in dem die Strukturen einander berühren, und darüber hinaus einen Fall, in dem eine dritte Struktur dazwischen angeordnet ist.A structure described as lying on top/bottom of another structure or on top/under the other structure should be understood to include a case where the structures touch each other and also a case in which with a third structure interposed therebetween.

Bei der Beschreibung einer zeitlichen Beziehung - wenn beispielsweise die zeitliche Abfolge von Ereignissen als „nach“, „anschließend“, „als nächstes“, „vor“ oder dergleichen beschrieben wird - sollte davon ausgegangen werden, dass die vorliegende Offenbarung kontinuierliche und nicht kontinuierliche Ereignisse einschließt, sofern nicht anders angegeben. So sollte beispielsweise davon ausgegangen werden, dass die Beschreibung einen nicht kontinuierlichen Fall einschließt, es sei denn, es werden Formulierungen wie „gerade“, „unmittelbar“ oder „direkt“ verwendet.When describing a temporal relationship -- for example, when describing the temporal sequence of events as "after," "then," "next," "before," or the like -- it should be understood that this disclosure describes continuous events as opposed to continuous events includes unless otherwise noted. For example, the description should be assumed to include a non-continuous case unless phrases such as "straight," "immediate," or "direct" are used.

Obwohl die Begriffe „erstes“, „zweites“ usw. hier zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, sind diese Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. So könnte beispielsweise ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne dass dies vom Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche abweicht.Although the terms "first," "second," etc. may be used herein to describe various elements, those elements are not limited by those terms. These terms are only used to distinguish one element from another. For example, a first element could be termed a second element, and likewise a second element could be termed a first element, without departing from the scope of the appended claims.

Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können teilweise oder insgesamt miteinander gekoppelt oder kombiniert werden und können auf verschiedene Weise miteinander zusammenwirken. Einige Ausführungsformen können unabhängig voneinander oder gemeinsam in einer ko-abhängigen Beziehung ausgeführt werden.Some or all of the features of various embodiments may be coupled or combined with one another and may interact with one another in various ways. Some embodiments may be executed independently or together in a co-dependent relationship.

Optische KonfigurationOptical configuration

1 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein computergeneriertes Hologramm mit einem einzigen räumlichen Lichtmodulator kodiert wird. Das computergenerierte Hologramm ist eine Fourier-Transformation des zu rekonstruierenden Objekts. Es wird deutlich, dass es sich hierbei nur um ein Beispiel handelt und dass in der vorliegenden Offenbarung auch andere Methoden zur Computererzeugung des Hologramms in Betracht gezogen werden. Man kann daher sagen, dass das Hologramm eine Darstellung des Objekts im Fourier- oder Frequenzbereich oder im Spektralbereich ist. In dieser Ausführungsform ist der räumliche Lichtmodulator ein reflektierendes Flüssigkristall-auf-Silizium-Bauelement, „LCOS“. Das Hologramm wird auf dem räumlichen Lichtmodulator kodiert, und eine holografische Rekonstruktion wird auf einem Wiedergabefeld, z. B. einer Lichtempfangsfläche wie einem Bildschirm oder einem Diffusor, erzeugt. 1 Figure 12 shows an embodiment in which a computer generated hologram is encoded with a single spatial light modulator. The computer generated hologram is a Fourier transform of the object to be reconstructed. It will be appreciated that this is just an example and other methods of computer generation are also within the scope of the present disclosure tion of the hologram should be considered. The hologram can therefore be said to be a representation of the object in the Fourier or frequency domain or in the spectral domain. In this embodiment, the spatial light modulator is a reflective liquid crystal-on-silicon, "LCOS" device. The hologram is encoded on the spatial light modulator and a holographic reconstruction is performed on a display panel, e.g. B. a light receiving surface such as a screen or a diffuser generated.

Eine Lichtquelle 110, zum Beispiel ein Laser oder eine Laserdiode, ist so angeordnet, dass sie das SLM 140 über eine Kollimationslinse 111 beleuchtet. Die Kollimationslinse bewirkt, dass eine im Allgemeinen ebene Wellenfront des Lichts auf das SLM auftrifft. In 1 ist die Richtung der Wellenfront nicht normal (z. B. zwei oder drei Grad davon entfernt, wirklich orthogonal zur Ebene der transparenten Schicht zu sein). In anderen Ausführungsformen ist die im Allgemeinen planare Wellenfront jedoch bei normalem Einfall vorgesehen, und es wird eine Strahlteileranordnung verwendet, um den optischen Eingangs- und Ausgangsweg zu trennen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Anordnung so, dass Licht von der Lichtquelle von einer verspiegelten Rückseite des SLM reflektiert wird und mit einer lichtmodulierenden Schicht in Wechselwirkung tritt, um eine Ausgangswellenfront 112 zu bilden. Die Ausgangswellenfront 112 wird auf eine Optik mit einer Fourier-Transformationslinse 120 angewendet, deren Brennpunkt auf einem Bildschirm 125 liegt. Genauer gesagt empfängt die Fourier-Transformationslinse 120 einen Strahl modulierten Lichts aus dem SLM 140 und führt eine Frequenz-Raum-Transformation durch, um eine holografische Rekonstruktion auf dem Bildschirm 125 zu erzeugen.A light source 110 , for example a laser or a laser diode, is arranged to illuminate the SLM 140 via a collimating lens 111 . The collimating lens causes a generally planar wavefront of light to impinge on the SLM. In 1 the direction of the wavefront is not normal (e.g. two or three degrees away from being truly orthogonal to the plane of the transparent layer). However, in other embodiments, the generally planar wavefront is provided at normal incidence and a beam splitter arrangement is used to separate the input and output optical paths. in the in 1 In the embodiment shown, the arrangement is such that light from the light source reflects off a mirrored backside of the SLM and interacts with a light modulating layer to form an output wavefront 112 . The output wavefront 112 is applied to optics with a Fourier transform lens 120 whose focal point is on a screen 125 . More specifically, Fourier transform lens 120 receives a beam of modulated light from SLM 140 and performs a frequency-to-space transform to produce a holographic reconstruction on screen 125 .

Bei dieser Art der Holografie trägt jedes Pixel des Hologramms zur gesamten Rekonstruktion bei. Es gibt keine Eins-zu-Eins-Korrelation zwischen bestimmten Punkten (oder Bildpixeln) auf dem Wiedergabefeld und bestimmten lichtmodulierenden Elementen (oder Hologrammpixeln). Mit anderen Worten: Das modulierte Licht, das die lichtmodulierende Schicht verlässt, ist über das gesamte Wiedergabefeld verteilt.With this type of holography, each pixel of the hologram contributes to the overall reconstruction. There is no one-to-one correlation between specific points (or image pixels) on the display panel and specific light modulating elements (or hologram pixels). In other words, the modulated light leaving the light modulating layer is distributed over the entire display panel.

Bei diesen Ausführungsformen wird die Position der holografischen Rekonstruktion im Raum durch die dioptrische (fokussierende) Stärke der Fourier-Transformationslinse bestimmt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Fourier-Transformationslinse eine physikalische Linse. Das heißt, die Fourier-Transformationslinse ist eine optische Fourier-Transformationslinse und die Fourier-Transformation wird optisch durchgeführt. Jede Linse kann als Fourier-Transformationslinse fungieren, aber die Leistung der Linse begrenzt die Genauigkeit der Fourier-Transformation, die sie durchführt. Der Fachmann weiß, wie man eine Linse zur Durchführung einer optischen Fourier-Transformation einsetzt.In these embodiments, the position of the holographic reconstruction in space is determined by the dioptric (focusing) power of the Fourier transform lens. in the in 1 embodiment shown, the Fourier transform lens is a physical lens. That is, the Fourier transform lens is an optical Fourier transform lens, and the Fourier transform is performed optically. Any lens can function as a Fourier transform lens, but the performance of the lens limits the accuracy of the Fourier transform it performs. Those skilled in the art know how to use a lens to perform an optical Fourier transform.

Gerchberg-Saxton-VerfahrenGerchberg-Saxton method

In einigen Ausführungsformen ist das computergenerierte Hologramm ein Fourier-Transformationshologramm oder einfach ein Fourier-Hologramm oder Fourier-basiertes Hologramm, bei dem ein Bild im Fernfeld durch Nutzung der Fourier-Transformationseigenschaften einer Positivlinse rekonstruiert wird. Das Fourier-Hologramm wird durch Fourier-Transformation des gewünschten Lichtfelds in der Wiedergabeebene zurück in die Linsenebene berechnet. Computergenerierte Fourier-Hologramme können durch Fourier-Transformationen berechnet werden.In some embodiments, the computer generated hologram is a Fourier transform hologram, or simply a Fourier hologram or Fourier-based hologram, in which a far-field image is reconstructed by utilizing the Fourier transform properties of a positive lens. The Fourier hologram is calculated by Fourier transforming the desired light field in the display plane back into the lens plane. Computer generated Fourier holograms can be calculated using Fourier transforms.

Ein Fourier-Transformationshologramm kann mit einem Algorithmus wie dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus berechnet werden. Darüber hinaus kann der Gerchberg-Saxton-Algorithmus zur Berechnung eines Hologramms im Fourier-Bereich (d. h. eines Fourier-Transformationshologramms) aus reinen Amplitudeninformationen im räumlichen Bereich (z. B. einer Fotografie) verwendet werden. Die auf das Objekt bezogene Phaseninformation wird effektiv aus der reinen Amplitudeninformation im räumlichen Bereich „abgerufen“. In einigen Ausführungsformen wird ein computergeneriertes Hologramm aus reinen Amplitudeninformationen mit Hilfe des Gerchberg-Saxton-Algorithmus oder einer Variante davon berechnet.A Fourier transform hologram can be calculated using an algorithm such as the Gerchberg-Saxton algorithm. In addition, the Gerchberg-Saxton algorithm can be used to compute a Fourier domain hologram (i.e., a Fourier transform hologram) from pure amplitude information in the spatial domain (e.g., a photograph). The phase information related to the object is effectively "fetched" from the pure amplitude information in the spatial domain. In some embodiments, a computer generated hologram is calculated from pure amplitude information using the Gerchberg-Saxton algorithm or a variant thereof.

Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus geht von der Situation aus, dass die Intensitätsquerschnitte eines Lichtstrahls, IA (x, y) und IB (x, y), in den Ebenen A bzw. B bekannt sind und IA (x, y) und IB (x, y) durch eine einzige Fourier-Transformation miteinander verbunden sind. Mit den gegebenen Intensitätsquerschnitten wird eine Annäherung an die Phasenverteilung in den Ebenen A und B, ΨA (x, y) bzw. ΨB (x, y), gefunden. Der Gerchberg-Saxton-Algorithmus findet Lösungen für dieses Problem durch einen iterativen Prozess. Genauer gesagt, wendet der Gerchberg-Saxton-Algorithmus iterativ räumliche und spektrale Beschränkungen an, während er wiederholt einen Datensatz (Amplitude und Phase), der für IA (x, y) und IB (x, y) repräsentativ ist, zwischen dem räumlichen Bereich und dem Fourier-Bereich (Spektral- oder Frequenzbereich) überträgt. Das entsprechende computergenerierte Hologramm im Spektralbereich wird durch mindestens eine Iteration des Algorithmus erhalten. Der Algorithmus ist konvergent und so aufgebaut, dass er ein Hologramm erzeugt, das ein Eingangsbild darstellt. Das Hologramm kann ein reines Amplitudenhologramm, ein reines Phasenhologramm oder ein vollständig komplexes Hologramm sein.The Gerchberg-Saxton algorithm assumes the situation that the intensity cross-sections of a light beam, I A (x, y) and I B (x, y), are known in planes A and B, respectively, and I A (x, y ) and I B (x, y) are related by a single Fourier transform. With the given intensity cross-sections, an approximation to the phase distribution in planes A and B, Ψ A (x, y) and Ψ B (x, y), is found. The Gerchberg-Saxton algorithm finds solutions to this problem through an iterative process. More specifically, the Gerchberg-Saxton algorithm iteratively applies spatial and spectral constraints while iterating a data set (amplitude and phase) representative of I A (x,y) and I B (x,y) between the spatial domain and the Fourier domain (spectral or frequency domain). The corresponding computer-generated hologram in the spectral domain is obtained by at least one iteration of the algorithm. The algorithm is convergent and is designed to produce a hologram representing an input image. The hologram can be a pure amplitude hologram, a pure phase hologram or a fully complex hologram.

In einigen Ausführungsformen wird ein reines Phasenhologramm mit einem auf dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus basierenden Algorithmus berechnet, wie er im britischen Patent 2,498,170 oder 2,501,112 beschrieben ist, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis einbezogen werden. Die hier offengelegten Ausführungsformen beschreiben jedoch nur beispielhaft die Berechnung eines reinen Phasenhologramms. In diesen Ausführungsformen gewinnt der Gerchberg-Saxton-Algorithmus die Phaseninformation Ψ [u, v] der Fourier-Transformation des Datensatzes, die zu einer bekannten Amplitudeninformation T[x, y] führt, wobei die Amplitudeninformation T[x, y] repräsentativ für ein Zielbild (z. B. eine Fotografie) ist. Da Amplitude und Phase bei der Fourier-Transformation miteinander kombiniert werden, enthalten die transformierte Amplitude und Phase nützliche Informationen über die Genauigkeit des berechneten Datensatzes. Daher kann der Algorithmus iterativ mit Rückkopplung sowohl der Amplituden- als auch der Phaseninformation verwendet werden. In diesen Ausführungsformen wird jedoch nur die Phaseninformation Ψ[u, v] als Hologramm verwendet, um ein holografisches Abbild des Zielbildes in einer Bildebene zu erzeugen. Das Hologramm ist ein Datensatz (z. B. ein 2D-Array) von Phasenwerten.In some embodiments, a pure phase hologram is calculated using an algorithm based on the Gerchberg-Saxton algorithm, as described in British Patent 2,498,170 or 2,501,112 which is hereby incorporated by reference in its entirety. However, the embodiments disclosed here describe the calculation of a pure phase hologram only by way of example. In these embodiments, the Gerchberg-Saxton algorithm extracts the phase information Ψ[u,v] of the Fourier transform of the data set resulting in known amplitude information T[x,y], where the amplitude information T[x,y] is representative of a Target image (e.g. a photograph) is. Because the Fourier transform combines amplitude and phase, the transformed amplitude and phase contain useful information about the accuracy of the computed data set. Therefore, the algorithm can be used iteratively with feedback of both amplitude and phase information. However, in these embodiments only the phase information Ψ[u,v] is used as a hologram to create a holographic image of the target image in an image plane. The hologram is a data set (e.g. a 2D array) of phase values.

In anderen Ausführungsformen wird ein auf dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus basierender Algorithmus zur Berechnung eines vollkomplexen Hologramms verwendet. Ein vollkomplexes Hologramm ist ein Hologramm mit einer Betragskomponente und einer Phasenkomponente. Das Hologramm ist ein Datensatz (z. B. ein 2D-Array), der ein Array komplexer Datenwerte umfasst, wobei jeder komplexe Datenwert eine Magnitudenkomponente und eine Phasenkomponente umfasst.In other embodiments, an algorithm based on the Gerchberg-Saxton algorithm is used to calculate a fully complex hologram. A fully complex hologram is a hologram with a magnitude component and a phase component. The hologram is a data set (e.g., a 2D array) that includes an array of complex data values, each complex data value including a magnitude component and a phase component.

In einigen Ausführungsformen verarbeitet der Algorithmus komplexe Daten und die Fourier-Transformationen sind komplexe Fourier-Transformationen. Komplexe Daten können aus (i) einer realen und einer imaginären Komponente oder (ii) einer Betragskomponente und einer Phasenkomponente bestehen. In einigen Ausführungsformen werden die beiden Komponenten der komplexen Daten in verschiedenen Phasen des Algorithmus unterschiedlich verarbeitet.In some embodiments, the algorithm operates on complex data and the Fourier transforms are complex Fourier transforms. Complex data can consist of (i) a real and an imaginary component or (ii) a magnitude component and a phase component. In some embodiments, the two components of the complex data are processed differently in different phases of the algorithm.

2A zeigt die erste Iteration eines Algorithmus in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen zur Berechnung eines reinen Phasenhologramms. Die Eingabe für den Algorithmus ist ein Eingabebild 210, das ein 2D-Array von Pixeln oder Datenwerten umfasst, wobei jedes Pixel oder jeder Datenwert ein Größen- oder Amplitudenwert ist. 2A 12 shows the first iteration of an algorithm in accordance with some embodiments for computing a pure phase hologram. The input to the algorithm is an input image 210 comprising a 2D array of pixels or data values, where each pixel or data value is a magnitude or amplitude value.

Das heißt, jeder Pixel- oder Datenwert des Eingangsbildes 210 hat keine Phasenkomponente. Das Eingangsbild 210 kann daher als reine Größen-, Amplituden- oder Intensitätsverteilung betrachtet werden. Ein Beispiel für ein solches Eingangsbild 210 ist ein Foto oder ein Einzelbild eines Videos, das eine zeitliche Abfolge von Bildern umfasst. Die erste Iteration des Algorithmus beginnt mit einem Datenbildungsschritt 202A, der darin besteht, jedem Pixel des Eingangsbildes einen zufälligen Phasenwert zuzuweisen, wobei eine zufällige Phasenverteilung (oder ein zufälliger Phasensaatwert) 230 verwendet wird, um einen komplexen Ausgangsdatensatz zu bilden, wobei jedes Datenelement des Satzes Größe und Phase umfasst. Es kann gesagt werden, dass der komplexe Ausgangsdatensatz für das Eingangsbild im räumlichen Bereich repräsentativ ist.That is, each pixel or data value of the input image 210 has no phase component. The input image 210 can therefore be viewed as a pure size, amplitude or intensity distribution. An example of such an input image 210 is a photo or a frame of a video that includes a temporal sequence of images. The first iteration of the algorithm begins with a data formation step 202A, which consists of assigning each pixel of the input image a random phase value using a random phase distribution (or random phase seed) 230 to form a complex output data set, where each data element of the set includes magnitude and phase. The complex output data set can be said to be representative of the input image in the spatial domain.

Der erste Verarbeitungsblock 250 empfängt den komplexen Ausgangsdatensatz und führt eine komplexe Fourier-Transformation durch, um einen Fourier-transformierten komplexen Datensatz zu bilden. Der zweite Verarbeitungsblock 253 empfängt den Fourier-transformierten komplexen Datensatz und gibt ein Hologramm 280A aus. In einigen Ausführungsformen ist das Hologramm 280A ein reines Phasenhologramm. In diesen Ausführungsformen quantisiert der zweite Verarbeitungsblock 253 jeden Phasenwert und setzt jeden Amplitudenwert auf Eins, um das Hologramm 280A zu bilden. Jeder Phasenwert wird in Übereinstimmung mit den Phasenniveaus quantisiert, die auf den Pixeln des räumlichen Lichtmodulators dargestellt werden können, der zur „Anzeige“ des Nur-Phasen-Hologramms verwendet wird. Wenn zum Beispiel jedes Pixel des räumlichen Lichtmodulators 256 verschiedene Phasenniveaus liefert, wird jeder Phasenwert des Hologramms in ein Phasenniveau der 256 möglichen Phasenniveaus quantisiert. Das Hologramm 280A ist ein reines Phasen-Fourier-Hologramm, das für ein Eingangsbild repräsentativ ist. In anderen Ausführungsformen ist das Hologramm 280A ein vollständig komplexes Hologramm, das eine Reihe komplexer Datenwerte (die jeweils eine Amplituden- und eine Phasenkomponente enthalten) umfasst, die aus dem empfangenen Fourier-transformierten komplexen Datensatz abgeleitet sind. In einigen Ausführungsformen beschränkt der zweite Verarbeitungsblock 253 jeden komplexen Datenwert auf einen aus einer Vielzahl von zulässigen komplexen Modulationspegeln, um das Hologramm 280A zu bilden. Der Schritt der Einschränkung kann die Einstellung jedes komplexen Datenwerts auf den nächstgelegenen zulässigen komplexen Modulationsgrad in der komplexen Ebene umfassen. Man kann sagen, dass das Hologramm 280A repräsentativ für das Eingangsbild im Spektral-, Fourier- oder Frequenzbereich ist. In einigen Ausführungsformen hält der Algorithmus an diesem Punkt an.The first processing block 250 receives the output complex data set and performs a complex Fourier transform to form a Fourier transformed complex data set. The second processing block 253 receives the Fourier transformed complex data set and outputs a hologram 280A. In some embodiments, the hologram 280A is a pure phase hologram. In these embodiments, the second processing block 253 quantizes each phase value and sets each amplitude value to one to form the hologram 280A. Each phase value is quantized according to the phase levels that can be represented on the pixels of the spatial light modulator used to "display" the phase-only hologram. For example, if each pixel of the spatial light modulator provides 256 different phase levels, each phase value of the hologram is quantized into one phase level of the 256 possible phase levels. The hologram 280A is a pure phase Fourier hologram representative of an input image. In other embodiments, the hologram 280A is a fully complex hologram that includes a series of complex data values (each containing an amplitude and a phase component) derived from the received Fourier-transformed complex data set. In some embodiments, the second processing block 253 constrains each complex data value to one of a plurality of allowable complex modulation levels to form the hologram 280A. The step of constraining may include adjusting each complex data value to the closest allowable complex modulation depth in the complex plane. It can be said that the hologram 280A is representative of the input image im spectral, Fourier or frequency domain. In some embodiments, the algorithm stops at this point.

In anderen Ausführungsformen wird der Algorithmus jedoch so fortgesetzt, wie durch den gestrichelten Pfeil in 2A dargestellt. Mit anderen Worten: Die Schritte, die dem gestrichelten Pfeil in 2A folgen, sind optional (d. h. nicht für alle Ausführungsformen wesentlich).In other embodiments, however, the algorithm continues as indicated by the dashed arrow in FIG 2A shown. In other words, the steps following the dashed arrow in 2A follow are optional (ie, not essential to all embodiments).

Der dritte Verarbeitungsblock 256 empfängt den modifizierten komplexen Datensatz aus dem zweiten Verarbeitungsblock 253 und führt eine inverse Fourier-Transformation durch, um einen inversen Fourier-transformierten komplexen Datensatz zu bilden. Man kann sagen, dass der invers Fourier-transformierte komplexe Datensatz repräsentativ für das Eingangsbild im räumlichen Bereich ist.The third processing block 256 receives the modified complex data set from the second processing block 253 and performs an inverse Fourier transform to form an inverse Fourier transformed complex data set. The inverse Fourier transformed complex data set can be said to be representative of the input image in the spatial domain.

Der vierte Verarbeitungsblock 259 empfängt den invers Fourier-transformierten komplexen Datensatz und extrahiert die Verteilung der Amplitudenwerte 211A und die Verteilung der Phasenwerte 213A. Optional wertet der vierte Verarbeitungsblock 259 die Verteilung der Größenwerte 211A aus. Insbesondere kann der vierte Verarbeitungsblock 259 die Verteilung der Größenwerte 211A des invers Fourier-transformierten komplexen Datensatzes mit dem Eingangsbild 510 vergleichen, das selbst natürlich eine Verteilung von Größenwerten ist. Wenn die Differenz zwischen der Verteilung der Größenwerte 211A und dem Eingangsbild 210 ausreichend klein ist, kann der vierte Verarbeitungsblock 259 feststellen, dass das Hologramm 280A akzeptabel ist. Das heißt, wenn der Unterschied zwischen der Verteilung der Größenwerte 211A und dem Eingangsbild 210 hinreichend klein ist, kann der vierte Verarbeitungsblock 259 bestimmen, dass das Hologramm 280A ein hinreichend genauer Repräsentant des Eingangsbildes 210 ist. In einigen Ausführungsformen wird die Verteilung der Phasenwerte 213A des invers Fourier-transformierten komplexen Datensatzes für die Zwecke des Vergleichs ignoriert. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl verschiedener Methoden zum Vergleich der Verteilung der Größenwerte 211A und des Eingangsbildes 210 verwendet werden kann und die vorliegende Offenbarung nicht auf eine bestimmte Methode beschränkt ist. In einigen Ausführungsformen wird eine mittlere quadratische Differenz berechnet, und wenn die mittlere quadratische Differenz kleiner als ein Schwellenwert ist, wird das Hologramm 280A als akzeptabel angesehen. Wenn der vierte Verarbeitungsblock 259 feststellt, dass das Hologramm 280A nicht akzeptabel ist, kann eine weitere Iteration des Algorithmus durchgeführt werden. Dieser Vergleichsschritt ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und in anderen Ausführungsformen wird die Anzahl der durchgeführten Iterationen des Algorithmus im Voraus festgelegt oder benutzerdefiniert.The fourth processing block 259 receives the inverse Fourier transformed complex data set and extracts the distribution of amplitude values 211A and the distribution of phase values 213A. Optionally, the fourth processing block 259 evaluates the distribution of magnitude values 211A. In particular, the fourth processing block 259 may compare the distribution of magnitude values 211A of the inverse Fourier transformed complex data set with the input image 510, which is itself of course a distribution of magnitude values. If the difference between the distribution of magnitude values 211A and the input image 210 is sufficiently small, the fourth processing block 259 may determine that the hologram 280A is acceptable. That is, if the difference between the distribution of magnitude values 211A and the input image 210 is sufficiently small, the fourth processing block 259 may determine that the hologram 280A is a sufficiently accurate representative of the input image 210. In some embodiments, the distribution of the phase values 213A of the inverse Fourier transformed complex data set is ignored for comparison purposes. It is understood that any number of different methods of comparing the distribution of the magnitude values 211A and the input image 210 can be used and the present disclosure is not limited to any particular method. In some embodiments, a mean square difference is calculated and if the mean square difference is less than a threshold, the hologram 280A is considered acceptable. If the fourth processing block 259 determines that the hologram 280A is unacceptable, another iteration of the algorithm may be performed. However, this comparison step is not strictly required, and in other embodiments the number of iterations of the algorithm performed is predetermined or user-defined.

2B zeigt eine zweite Iteration des Algorithmus und alle weiteren Iterationen des Algorithmus. Die Verteilung der Phasenwerte 213A der vorangegangenen Iteration wird durch die Verarbeitungsblöcke des Algorithmus zurückgeführt. Die Verteilung der Magnitudenwerte 211A wird zugunsten der Verteilung der Magnitudenwerte des Eingangsbildes 210 verworfen. In der ersten Iteration hat der Datenbildungsschritt 202A den ersten komplexen Datensatz durch Kombination der Verteilung der Größenwerte des Eingangsbildes 210 mit einer zufälligen Phasenverteilung 230 gebildet. In der zweiten und den nachfolgenden Iterationen umfasst der Datenbildungsschritt 202B jedoch die Bildung eines komplexen Datensatzes durch Kombination (i) der Verteilung der Phasenwerte 213A aus der vorherigen Iteration des Algorithmus mit (ii) der Verteilung der Größenwerte des Eingangsbildes 210. 2 B shows a second iteration of the algorithm and all further iterations of the algorithm. The distribution of phase values 213A from the previous iteration is fed back through the processing blocks of the algorithm. The distribution of the magnitude values 211A is discarded in favor of the distribution of the magnitude values of the input image 210. In the first iteration, the data formation step 202A formed the first complex data set by combining the magnitude value distribution of the input image 210 with a random phase distribution 230 . However, in the second and subsequent iterations, the data formation step 202B involves the formation of a complex data set by combining (i) the distribution of phase values 213A from the previous iteration of the algorithm with (ii) the distribution of magnitude values of the input image 210.

Der komplexe Datensatz, der durch den Datenbildungsschritt 202B von 2B gebildet wurde, wird dann in der gleichen Weise wie in 2A beschrieben verarbeitet, um das zweite Iterationshologramm 280B zu bilden. Die Erläuterung des Prozesses wird daher hier nicht wiederholt. Der Algorithmus kann aufhören, wenn das Hologramm 280B der zweiten Iteration berechnet wurde. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von weiteren Iterationen des Algorithmus durchgeführt werden. Es versteht sich, dass der dritte Verarbeitungsblock 256 nur dann erforderlich ist, wenn der vierte Verarbeitungsblock 259 erforderlich ist oder eine weitere Iteration erforderlich ist. Das Ausgangshologramm 280B wird im Allgemeinen mit jeder Iteration besser. In der Praxis wird jedoch in der Regel ein Punkt erreicht, an dem keine messbare Verbesserung mehr zu beobachten ist oder der positive Nutzen einer weiteren Iteration durch den negativen Effekt der zusätzlichen Verarbeitungszeit überwogen wird. Daher wird der Algorithmus als iterativ und konvergent beschrieben.The complex data set created by the data building step 202B of 2 B was formed, is then made in the same way as in 2A described to form the second iteration hologram 280B. The explanation of the process is therefore not repeated here. The algorithm may stop when the second iteration hologram 280B has been computed. However, any number of further iterations of the algorithm can be performed. It will be understood that the third processing block 256 is required only if the fourth processing block 259 is required or another iteration is required. The output hologram 280B generally gets better with each iteration. In practice, however, a point is usually reached where no measurable improvement can be observed, or the positive benefit of another iteration is outweighed by the negative effect of the additional processing time. Therefore, the algorithm is described as iterative and convergent.

2C zeigt eine alternative Ausführungsform der zweiten und der folgenden Iterationen. Die Verteilung der Phasenwerte 213A der vorangegangenen Iteration wird in die Verarbeitungsblöcke des Algorithmus zurückgeführt. Die Verteilung der Größenwerte 211A wird zu Gunsten einer alternativen Verteilung der Größenwerte verworfen. In dieser alternativen Ausführungsform wird die alternative Verteilung der Größenwerte aus der Verteilung der Größenwerte 211 der vorherigen Iteration abgeleitet. Konkret subtrahiert der Verarbeitungsblock 258 die Verteilung der Größenwerte des Eingangsbildes 210 von der Verteilung der Größenwerte 211 der vorherigen Iteration, skaliert diese Differenz um einen Verstärkungsfaktor α und subtrahiert die skalierte Differenz vom Eingangsbild 210. Dies wird mathematisch durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt, wobei der tiefgestellte Text und die Zahlen die Iterationsnummer angeben: R n + 1 [ x , y ] = F ' { exp ( i ψ n [ u , v ] ) }

Figure DE212022000095U1_0001
ψ n [ u , v ] = F { η exp ( i R n [ x , y ] ) }
Figure DE212022000095U1_0002
η = T [ x , y ] α ( | R n [ x , y ] | T [ x , y ] )
Figure DE212022000095U1_0003
wo:

  • F' ist die inverse Fourier-Transformation;
  • F ist die Vorwärts-Fourier-Transformation;
  • R[x, y] ist der vom dritten Verarbeitungsblock 256 ausgegebene komplexe Datensatz;
  • T[x, y] ist das Eingabe- oder Zielbild;
  • ∠ ist die Phasenkomponente;
  • Ψ ist das Nur-Phasen-Hologramm 280B;
  • ⍰ ist die neue Verteilung der Größenwerte 211B; und
  • α ist der Verstärkungsfaktor.
2C Figure 12 shows an alternative embodiment of the second and subsequent iterations. The distribution of phase values 213A from the previous iteration is fed back into the processing blocks of the algorithm. The magnitude value distribution 211A is discarded in favor of an alternative magnitude value distribution. In this alternative embodiment, the alternative distribution of magnitude values is derived from the distribution of magnitude values 211 from the previous iteration. Specifically, the processing block 258 subtracts the magnitude value distribution of the input image 210 from the magnitude value distribution 211 of the previous iteration, scales this difference by a gain factor α, and subtracts the scaled one Difference from input image 210. This is expressed mathematically by the following equations, with the subscript text and numbers indicating the iteration number: R n + 1 [ x , y ] = f ' { ex ( i ψ n [ and , v ] ) }
Figure DE212022000095U1_0001
ψ n [ and , v ] = f { n ex ( i R n [ x , y ] ) }
Figure DE212022000095U1_0002
n = T [ x , y ] a ( | R n [ x , y ] | T [ x , y ] )
Figure DE212022000095U1_0003
where:
  • F' is the inverse Fourier transform;
  • F is the forward Fourier transform;
  • R[x,y] is the complex data set output from the third processing block 256;
  • T[x,y] is the input or target image;
  • ∠ is the phase component;
  • Ψ is the phase-only hologram 280B;
  • ⍰ is the new distribution of magnitude values 211B; and
  • α is the gain factor.

Der Verstärkungsfaktor α kann fest oder variabel sein. In einigen Ausführungsformen wird der Verstärkungsfaktor ⍰ auf der Grundlage der Größe und Rate der eingehenden Zielbilddaten bestimmt. In einigen Ausführungsformen ist der Verstärkungsfaktor ⍰⍰is abhängig von der Iterationszahl. In einigen Ausführungsformen ist der Verstärkungsfaktor ⍰⍰is ausschließlich eine Funktion der Iterationszahl.The amplification factor α can be fixed or variable. In some embodiments, the gain factor ⍰ is determined based on the size and rate of the incoming target image data. In some embodiments, the amplification factor ⍰⍰is depends on the number of iterations. In some embodiments, the gain factor ⍰⍰is is solely a function of the number of iterations.

Die Ausführungsform von 2C entspricht im Übrigen derjenigen von 2A und 2B. Man kann sagen, dass das reine Phasenhologramm Ψ(u, v) eine Phasenverteilung im Frequenz- oder Fourierbereich enthält.The embodiment of 2C otherwise corresponds to that of 2A and 2 B . One can say that the pure phase hologram Ψ(u,v) contains a phase distribution in the frequency or Fourier domain.

In einigen Ausführungsformen wird die Fourier-Transformation mit Hilfe des räumlichen Lichtmodulators durchgeführt. Konkret werden die Hologrammdaten mit zweiten Daten kombiniert, die die optische Leistung angeben. Das heißt, die in den räumlichen Lichtmodulator geschriebenen Daten umfassen Hologrammdaten, die das Objekt darstellen, und Linsendaten, die für eine Linse repräsentativ sind. Wenn sie auf einem räumlichen Lichtmodulator angezeigt und mit Licht beleuchtet werden, emulieren die Linsendaten eine physische Linse, d. h. sie bringen das Licht auf die gleiche Weise in den Brennpunkt wie die entsprechende physische Optik. Die Linsendaten liefern also optische oder fokussierende Leistung. In diesen Ausführungsformen kann die physikalische Fourier-Transformationslinse 120 aus 1 weggelassen werden. Es ist bekannt, wie man die für eine Linse repräsentativen Daten berechnet. Die Daten, die für eine Linse repräsentativ sind, können als Software-Linse bezeichnet werden. So kann beispielsweise eine reine Phasenlinse gebildet werden, indem die Phasenverzögerung berechnet wird, die von jedem Punkt der Linse aufgrund seines Brechungsindex und seiner räumlich variierenden optischen Weglänge verursacht wird. So ist beispielsweise die optische Weglänge in der Mitte einer konvexen Linse größer als die optische Weglänge an den Rändern der Linse. Eine reine Amplitudenlinse kann durch eine Fresnel-Zonenplatte gebildet werden. Auf dem Gebiet der computergenerierten Holografie ist auch bekannt, wie man Daten, die für eine Linse repräsentativ sind, mit einem Hologramm kombiniert, so dass eine Fourier-Transformation des Hologramms durchgeführt werden kann, ohne dass eine physische Fourier-Linse erforderlich ist. In einigen Ausführungsformen werden die Linsendaten mit dem Hologramm durch einfache Addition, z. B. durch einfache Vektoraddition, kombiniert. In einigen Fällen wird eine physische Linse in Verbindung mit einer Software-Linse verwendet, um die Fourier-Transformation durchzuführen. In anderen Ausführungsformen wird die Fourier-Transformationslinse ganz weggelassen, so dass die holografische Rekonstruktion im Fernfeld erfolgt. In weiteren Ausführungsformen kann das Hologramm auf die gleiche Weise mit Gitterdaten kombiniert werden, d. h. mit Daten, die die Funktion eines Gitters, z. B. die Bildsteuerung, übernehmen. Auch hier ist in der Praxis bekannt, wie solche Daten berechnet werden können. Ein reines Phasengitter kann beispielsweise durch Modellierung der Phasenverzögerung gebildet werden, die von jedem Punkt auf der Oberfläche eines Blaze-Gitters verursacht wird. Ein Nur-Amplituden-Gitter kann einfach mit einem Nur-Amplituden-Hologramm überlagert werden, um eine Winkelsteuerung der holografischen Rekonstruktion zu ermöglichen. Die zweiten Daten, die für die Linsenbildung und/oder - steuerung sorgen, können als Lichtverarbeitungsfunktion oder Lichtverarbeitungsmuster bezeichnet werden, um sie von den Hologrammdaten zu unterscheiden, die als Bilderzeugungsfunktion oder Bilderzeugungsmuster bezeichnet werden können.In some embodiments, the Fourier transform is performed using the spatial light modulator. Concretely, the hologram data is combined with second data indicative of the optical power. That is, the data written in the spatial light modulator includes hologram data representing the object and lens data representative of a lens. When displayed on a spatial light modulator and illuminated with light, the lens data emulates a physical lens, ie it brings the light into focus in the same way as the corresponding physical optics. So the lens data provides optical or focusing power. In these embodiments, the physical Fourier transform lens 120 can be made of 1 be omitted. It is known how to calculate the data representative of a lens. The data representative of a lens can be referred to as a software lens. For example, a pure phase lens can be formed by calculating the phase delay introduced by each point of the lens due to its index of refraction and its spatially varying optical path length. For example, the optical path length at the center of a convex lens is greater than the optical path length at the edges of the lens. A pure amplitude lens can be formed by a Fresnel zone plate. It is also known in the field of computer generated holography how to combine data representative of a lens with a hologram so that a Fourier transform of the hologram can be performed without requiring a physical Fourier lens. In some embodiments, the lens data is combined with the hologram by simple addition, e.g. B. by simple vector addition combined. In some cases, a physical lens is used in conjunction with a software lens to perform the Fourier transform. In other embodiments, the Fourier transform lens is omitted altogether so that the holographic reconstruction occurs in the far field. In further embodiments, the hologram can be combined with grating data in the same way, ie with data that the function of a grating, e.g. B. the image control take over. Here, too, it is known in practice how such data can be calculated. A pure phase grating can be formed, for example, by modeling the phase delay introduced by each point on the surface of a blazed grating. An amplitude-only grating can easily be overlaid with an amplitude-only hologram to allow angular control of the holographic reconstruction. The second data that provides for lens formation and/or control may be referred to as a light processing function or pattern to distinguish it from the hologram data, which may be referred to as an imaging function or pattern.

In einigen Ausführungsformen wird die Fourier-Transformation gemeinsam von einer physikalischen Fourier-Transformationslinse und einer Software-Linse durchgeführt. Das heißt, ein Teil der optischen Leistung, die zur Fourier-Transformation beiträgt, wird von einer Software-Linse erbracht, und der Rest der optischen Leistung, die zur Fourier-Transformation beiträgt, wird von einer physikalischen Optik oder einem optischen System erbracht.In some embodiments, the Fourier transform is performed jointly by a physical Fourier transform lens and a software lens. That is, part of the optical power that contributes to the Fourier transform is provided by a software lens, and the rest of the optical power that contributes to the Fourier transform is provided by physical optics or an optical system.

In einigen Ausführungsformen wird eine Echtzeit-Engine bereitgestellt, die Bilddaten empfängt und unter Verwendung des Algorithmus Hologramme in Echtzeit berechnet. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei den Bilddaten um ein Video mit einer Folge von Einzelbildern. In anderen Ausführungsformen werden die Hologramme im Voraus berechnet, im Computerspeicher gespeichert und bei Bedarf zur Anzeige auf einem SLM abgerufen. Das heißt, in einigen Ausführungsformen ist ein Speicher mit vorbestimmten Hologrammen vorhanden.In some embodiments, a real-time engine is provided that acquires image data emp catches and calculates holograms in real time using the algorithm. In some embodiments, the image data is a video with a sequence of frames. In other embodiments, the holograms are precomputed, stored in computer memory, and retrieved for display on an SLM when needed. That is, in some embodiments, there is a memory with predetermined holograms.

Die offenbarten Ausführungen beziehen sich nur beispielhaft auf die Fourier-Holographie und die Algorithmen vom Typ Gerchberg-Saxton. Die vorliegende Offenbarung gilt auch für die Fresnel-Holografie und Fresnel-Hologramme, die mit einem ähnlichen Verfahren berechnet werden können. Die vorliegende Offenlegung ist auch auf Hologramme anwendbar, die mit anderen Techniken berechnet werden, z. B. mit Methoden, die auf Punktwolken basieren. Wie zu sehen ist, wird in den nachfolgenden Figuren ein Punktwolkenverfahren zur Hologrammberechnung beschrieben. Es können jedoch auch andere Methoden der Hologrammberechnung, einschließlich der oben in Bezug auf die 2A bis 2C beschriebenen Fourier-Methode, verwendet werden.The disclosed implementations relate to Fourier holography and the algorithms of the Gerchberg-Saxton type only by way of example. The present disclosure also applies to Fresnel holography and Fresnel holograms, which can be calculated using a similar method. The present disclosure is also applicable to holograms calculated using other techniques, e.g. B. with methods based on point clouds. As can be seen, a point cloud method for hologram calculation is described in the following figures. However, other methods of hologram calculation may also be used, including those referred to above in relation to the 2A until 2C described Fourier method can be used.

Lichtmodulationlight modulation

Ein räumlicher Lichtmodulator kann verwendet werden, um das Beugungsmuster einschließlich des computergenerierten Hologramms anzuzeigen. Handelt es sich bei dem Hologramm um ein reines Phasenhologramm, ist ein räumlicher Lichtmodulator erforderlich, der die Phase moduliert. Handelt es sich bei dem Hologramm um ein vollkomplexes Hologramm, kann ein räumlicher Lichtmodulator verwendet werden, der Phase und Amplitude moduliert, oder ein erster räumlicher Lichtmodulator, der die Phase moduliert, und ein zweiter räumlicher Lichtmodulator, der die Amplitude moduliert, können verwendet werden.A spatial light modulator can be used to display the diffraction pattern including the computer generated hologram. If the hologram is a pure phase hologram, a spatial light modulator that modulates the phase is required. If the hologram is a fully complex hologram, a spatial light modulator that modulates phase and amplitude can be used, or a first spatial light modulator that modulates phase and a second spatial light modulator that modulates amplitude can be used.

In einigen Ausführungsformen sind die lichtmodulierenden Elemente (d. h. die Pixel) des räumlichen Lichtmodulators Zellen, die Flüssigkristalle enthalten. Das heißt, in einigen Ausführungsformen ist der räumliche Lichtmodulator eine Flüssigkristallvorrichtung, bei der die optisch aktive Komponente der Flüssigkristall ist. Jede Flüssigkristallzelle ist so konfiguriert, dass sie selektiv eine Vielzahl von Lichtmodulationsstufen bereitstellt. Das heißt, jede Flüssigkristallzelle ist so konfiguriert, dass sie zu jedem Zeitpunkt mit einem Lichtmodulationspegel arbeitet, der aus einer Vielzahl möglicher Lichtmodulationspegel ausgewählt wird. Jede Flüssigkristallzelle kann dynamisch auf eine andere Lichtmodulationsstufe aus der Vielzahl der Lichtmodulationsstufen umkonfiguriert werden. In einigen Ausführungsformen ist der räumliche Lichtmodulator ein reflektierender Flüssigkristall-auf-Silizium (LCOS)-Raumlichtmodulator, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese Art von Raumlichtmodulator beschränkt.In some embodiments, the light modulating elements (i.e., the pixels) of the spatial light modulator are cells containing liquid crystals. That is, in some embodiments, the spatial light modulator is a liquid crystal device in which the optically active component is the liquid crystal. Each liquid crystal cell is configured to selectively provide a plurality of levels of light modulation. That is, each liquid crystal cell is configured to operate at a light modulation level selected from a plurality of possible light modulation levels at all times. Each liquid crystal cell can be dynamically reconfigured to a different light modulation level from the plurality of light modulation levels. In some embodiments, the spatial light modulator is a reflective liquid crystal-on-silicon (LCOS) spatial light modulator, but the present disclosure is not limited to this type of spatial light modulator.

Ein LCOS-Gerät bietet eine dichte Anordnung von Licht modulierenden Elementen oder Pixeln in einer kleinen Öffnung (z. B. einige Zentimeter breit). Die Pixel sind in der Regel etwa 10 Mikrometer oder weniger groß, was zu einem Beugungswinkel von wenigen Grad führt, was bedeutet, dass das optische System kompakt sein kann. Es ist einfacher, die kleine Apertur eines LCOS-SLM angemessen zu beleuchten als die größere Apertur anderer Flüssigkristallgeräte. Ein LCOS-Bauelement ist in der Regel reflektierend, was bedeutet, dass der Schaltkreis, der die Pixel eines LCOS-SLM ansteuert, unter der reflektierenden Oberfläche vergraben werden kann. Dies führt zu einem höheren Öffnungsverhältnis. Mit anderen Worten, die Pixel sind dicht gepackt, was bedeutet, dass es sehr wenig toten Raum zwischen den Pixeln gibt. Dies ist vorteilhaft, weil es das optische Rauschen im Wiedergabefeld reduziert. Ein LCOS-SLM verwendet eine Silizium-Backplane, die den Vorteil hat, dass die Pixel optisch flach sind. Dies ist besonders wichtig für ein phasenmodulierendes Gerät.An LCOS device provides a dense array of light modulating elements, or pixels, in a small aperture (e.g., a few centimeters wide). The pixels are typically around 10 microns or less, resulting in a diffraction angle of a few degrees, which means the optical system can be compact. It is easier to adequately illuminate the small aperture of an LCOS SLM than the larger aperture of other liquid crystal devices. An LCOS device is typically reflective, which means that the circuitry that drives the pixels of an LCOS SLM can be buried under the reflective surface. This leads to a higher aperture ratio. In other words, the pixels are densely packed, meaning there is very little dead space between pixels. This is advantageous because it reduces optical noise in the display panel. An LCOS SLM uses a silicon backplane, which has the advantage that the pixels are optically flat. This is particularly important for a phase modulating device.

Ein geeignetes LCOS-SLM wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Ein LCOS-Bauelement wird aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat 302 hergestellt. Es hat eine 2D-Anordnung von quadratischen, ebenen Aluminiumelektroden 301, die durch einen Spalt 301a voneinander beabstandet sind und auf der Oberseite des Substrats angeordnet sind. Jede der Elektroden 301 kann über im Substrat 302 vergrabene Schaltungen 302a angesprochen werden. Jede der Elektroden bildet jeweils einen ebenen Spiegel. Auf der Elektrodenanordnung ist eine Ausrichtungsschicht 303 angeordnet, und auf der Ausrichtungsschicht 303 ist eine Flüssigkristallschicht 304 angeordnet. Eine zweite Ausrichtungsschicht 305 ist auf der planaren transparenten Schicht 306, z. B. aus Glas, angeordnet. Eine einzelne transparente Elektrode 307, z. B. aus ITO, ist zwischen der transparenten Schicht 306 und der zweiten Ausrichtungsschicht 305 angeordnet.A suitable LCOS-SLM is described below only by way of example with reference to 3 described. An LCOS device is fabricated from a single crystalline silicon substrate 302 . It has a 2D array of square planar aluminum electrodes 301 spaced apart by a gap 301a and placed on top of the substrate. Each of the electrodes 301 can be addressed via circuits 302a buried in the substrate 302 . Each of the electrodes forms a plane mirror. An alignment layer 303 is disposed on the electrode assembly, and a liquid crystal layer 304 is disposed on the alignment layer 303 . A second alignment layer 305 is formed on the planar transparent layer 306, e.g. B. made of glass arranged. A single transparent electrode 307, e.g. B. made of ITO, is arranged between the transparent layer 306 and the second alignment layer 305.

Jede der quadratischen Elektroden 301 definiert zusammen mit dem darüber liegenden Bereich der transparenten Elektrode 307 und dem dazwischen liegenden Flüssigkristallmaterial ein steuerbares phasenmodulierendes Element 308, das oft als Pixel bezeichnet wird. Die effektive Pixelfläche oder der Füllfaktor ist der Prozentsatz des gesamten Pixels, der optisch aktiv ist, wobei der Raum zwischen den Pixeln 301a berücksichtigt wird. Durch Steuerung der an jede Elektrode 301 angelegten Spannung in Bezug auf die transparente Elektrode 307 können die Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials des jeweiligen Phasenmodulationselements variiert werden, um so eine variable Verzögerung des darauf einfallenden Lichts zu erreichen. Der Effekt ist eine reine Phasenmodulation der Wellenfront, d. h. es tritt kein Amplitudeneffekt auf.Each of the square electrodes 301, together with the overlying portion of the transparent electrode 307 and the liquid crystal material therebetween, defines a controllable phase modulating element 308, often referred to as a pixel. The effective pixel area or fill factor is the percentage of the total pixel that is optically active, taking into account the space between pixels 301a. By controlling the voltage applied to each electrode 301 with respect to the transparent electrode 307 the properties of the liquid crystal material of the respective phase modulation element can be varied in order to achieve a variable retardation of the light incident on it. The effect is a pure phase modulation of the wavefront, ie there is no amplitude effect.

Der beschriebene LCOS-SLM gibt räumlich moduliertes Licht in Reflexion aus. Reflektierende LCOS-SLMs haben den Vorteil, dass sich die Signalleitungen, Gate-Leitungen und Transistoren unterhalb der gespiegelten Oberfläche befinden, was zu hohen Füllfaktoren (in der Regel über 90 %) und hohen Auflösungen führt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines reflektierenden LCOS-Raumlichtmodulators ist, dass die Flüssigkristallschicht nur halb so dick sein kann wie bei einem transmissiven Bauelement. Dadurch wird die Schaltgeschwindigkeit des Flüssigkristalls erheblich verbessert (ein entscheidender Vorteil für die Projektion von bewegten Videobildern). Die Lehren der vorliegenden Offenbarung können jedoch auch mit einem transmissiven LCOS-SLM umgesetzt werden.The LCOS-SLM described outputs spatially modulated light in reflection. Reflective LCOS SLMs have the advantage that the signal lines, gate lines, and transistors are below the mirrored surface, resulting in high fill factors (typically over 90%) and high resolutions. Another advantage of using a reflective LCOS spatial light modulator is that the liquid crystal layer can be half the thickness of a transmissive device. This significantly improves the switching speed of the liquid crystal (a crucial advantage for projection of moving video images). However, the teachings of the present disclosure can also be implemented with a transmissive LCOS SLM.

Bildprojektion mit einem kleinen Anzeigegerät und einem großen BetrachtungsabstandImage projection with a small display device and a long viewing distance

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildprojektion, bei der der Abstand zwischen Anzeigegerät und Betrachter viel größer ist als die Größe des Anzeigegeräts. Der Betrachtungsabstand (d. h. der Abstand zwischen dem Betrachter und der Anzeigevorrichtung) kann mindestens eine Größenordnung größer sein als die Größe der Anzeigevorrichtung. Der Betrachtungsabstand kann um mindestens zwei Größenordnungen größer sein als die Größe des Anzeigegeräts. Beispielsweise kann die Pixelfläche des Anzeigegeräts 10 mm x 10 mm betragen und der Betrachtungsabstand 1 m. Das vom System projizierte Bild wird auf einer Anzeigeebene erzeugt, die räumlich vom Anzeigegerät getrennt ist. Die Eintrittsöffnung, durch die der Betrachter das Bild sieht, kann im Vergleich zum Betrachtungsabstand ebenfalls relativ klein sein.The present disclosure relates to image projection where the distance between the display device and the viewer is much greater than the size of the display device. The viewing distance (i.e., the distance between the viewer and the display) may be at least an order of magnitude greater than the size of the display. The viewing distance can be at least two orders of magnitude greater than the size of the display device. For example, the pixel area of the display device may be 10 mm x 10 mm and the viewing distance 1 m. The image projected by the system is generated on a display plane that is spatially separated from the display device. The entrance aperture through which the viewer sees the image can also be relatively small compared to the viewing distance.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird das Bild durch holografische Projektion erzeugt. Ein Hologramm wird auf der Anzeigevorrichtung angezeigt. Das Hologramm wird von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) beleuchtet und ein Bild wird auf einer Anzeigeebene wahrgenommen, die räumlich vom Hologramm getrennt ist. Das Bild kann real oder virtuell sein. Für die folgenden Ausführungen ist es hilfreich, ein virtuelles Bild zu betrachten, das vor der Anzeigevorrichtung entsteht. Das heißt, es erscheint hinter der Anzeigevorrichtung. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass es sich um ein virtuelles Bild handelt, und die vorliegende Offenlegung ist auch auf ein reales Bild anwendbar, das zwischen der Anzeigevorrichtung und dem Betrachtungssystem entsteht.According to the present disclosure, the image is generated by holographic projection. A hologram is displayed on the display device. The hologram is illuminated by a light source (not shown) and an image is perceived on a display plane that is spatially separate from the hologram. The image can be real or virtual. For the following explanations, it is helpful to consider a virtual image that is created in front of the display device. That is, it appears behind the display device. However, it is not essential that the image is virtual and the present disclosure is also applicable to a real image formed between the display device and the viewing system.

Die vorliegende Offenlegung ermöglicht die Verwendung eines sehr kleinen Anzeigegeräts, um (reale oder virtuelle) Bilder darzustellen, selbst wenn der Betrachtungsabstand relativ groß ist. Dies geschieht durch die Bereitstellung eines Hologramms, das das Vorhandensein des Bildes an einem gewünschten Ort nachahmt, und durch die intelligente Ausrichtung des von diesem Hologramm räumlich modulierten Lichts, wobei der Standort des Betrachtungssystems und die Größe und/oder Form der Eintrittsöffnung, durch die das Licht in das Betrachtungssystem eintritt, berücksichtigt werden.The present disclosure allows a very small display device to be used to display images (real or virtual) even when the viewing distance is relatively large. It does this by providing a hologram that mimics the presence of the image in a desired location, and intelligently directing the light spatially modulated by that hologram, taking into account the location of the viewing system and the size and/or shape of the entrance aperture through which the light entering the viewing system must be taken into account.

Die Anzeigevorrichtung umfasst Pixel, die das Hologramm anzeigen. Die Pixelstruktur des Anzeigegeräts ist beugungsfähig. Die Größe des holografischen Bildes wird daher durch die Regeln der Beugung bestimmt. Eine Folge der sehr geringen Größe des Anzeigegeräts wird im Folgenden in groben Zügen anhand von 4 erläutert.The display device includes pixels that display the hologram. The pixel structure of the display device is diffractive. The size of the holographic image is therefore determined by the rules of diffraction. A consequence of the very small size of the display device is outlined below using 4 explained.

4 zeigt eine Blende 402, die ein kleines Sichtfenster zwischen einem realen Objekt oder Bild 401 und einem Sichtsystem 405 bildet. Die Blende 402 ist repräsentativ für die Blende eines Anzeigegeräts. 4 veranschaulicht die Wirkung der Blende 402 auf das Licht, das von dem realen Objekt oder dem realen Bild 401 kommt, das sich in einem endlichen Abstand vor der Blende 402 befindet. Die Blende 402 ist im Verhältnis zum Abstand zwischen ihr und einem Betrachtungssystem 405 sehr klein. In dieser beispielhaften Anordnung sind das Bild 401, die Anzeigevorrichtung 402 und das Betrachtungssystem 405 auf einer optischen Achse Ax angeordnet. 4 12 shows an aperture 402 that forms a small viewing window between a real object or image 401 and a viewing system 405. Bezel 402 is representative of the bezel of a display device. 4 illustrates the effect of the aperture 402 on the light coming from the real object or image 401 that is a finite distance in front of the aperture 402 . The aperture 402 is very small in relation to the distance between it and a viewing system 405. In this exemplary arrangement, the image 401, the display device 402 and the viewing system 405 are arranged on an optical axis Ax.

In 4 sind nur diejenigen Lichtstrahlen (oder Strahlenbündel) des Bildes 401 dargestellt, die durch das sehr kleine, durch die Blende 402 definierte Sichtfenster hindurchtreten und sich in Richtung einer Betrachtungsebene 406 bewegen, die senkrecht zur optischen Achse Ax definiert ist. Der geübte Leser wird verstehen, dass andere Lichtstrahlen vom Bild 401 ausgehen, aber nicht mit der Blende 402 zusammenfallen, so dass sie (in diesem Beispiel) die Betrachtungsebene 406 nicht erreichen können. Darüber hinaus sind fünf Lichtstrahlen (oder Strahlenbündel) dargestellt, die von dem Bild 401 ausgehen - einer von jedem der fünf verschiedenen Teile des Bildes 401 -, aber auch hier wird der geübte Leser erkennen, dass dies nur illustrativ ist und die vorliegende Offenbarung nicht auf fünf Strahlen oder Strahlenbündel beschränkt ist. Das Betrachtungssystem 405 hat eine Eintrittsöffnung 404, die unmittelbar vor der Betrachtungsebene 406 liegt. Das Betrachtungssystem 406 kann ein menschliches Auge sein. Die Eintrittsöffnung 404 kann daher die Pupille des Auges sein und die Betrachtungsebene 406 kann die Netzhaut des Auges sein.In 4 only those light rays (or bundles of rays) of the image 401 are shown which pass through the very small viewing window defined by the stop 402 and travel towards a viewing plane 406 defined perpendicular to the optical axis Ax. The skilled reader will understand that other rays of light emanate from image 401 but do not coincide with aperture 402, so they cannot reach viewing plane 406 (in this example). In addition, five rays of light (or bundles of rays) are shown emanating from image 401 - one from each of the five different parts of image 401 - but again the skilled reader will appreciate that this is illustrative only and does not cover the present disclosure is limited to five rays or bundles of rays. The viewing system 405 has an entrance aperture 404 located immediately in front of the viewing plane 406 . Viewing system 406 may be a human eye. The inlet opening 404 can therefore The pupil of the eye and the viewing plane 406 can be the retina of the eye.

4 veranschaulicht, wie die sehr kleine Größe der Blende 402 dazu führt, dass von jeder Position auf einer Betrachtungsebene nur ein Teil des Bildes betrachtet werden kann. 4 zeigt die fünf Beispiel-Lichtbündel, die jeweils durch einen bestimmten Winkel zur optischen Achse Ax gekennzeichnet sind und jeweils von einem anderen Teil des Bildes 401 ausgehen. Das Lichtbündel, das sich entlang der optischen Achse Ax bewegt, trägt den mittleren Teil des Bildes, d. h. es ist das Licht der Bildmitte. Die anderen Lichtbündel tragen die anderen Teile des Bildes. Eine Folge des sehr kleinen Sichtfensters, das durch die Blende 402 definiert wird, und der sehr kleinen Eintrittsöffnung der Pupille 404 im Vergleich zu den großen Sichtabständen ist, dass nicht der gesamte Bildinhalt an jeder beliebigen Sichtposition durch die Eintrittspupille 404 hindurchtreten kann. Mit anderen Worten: Nicht der gesamte Bildinhalt wird vom Auge aufgenommen. Im Beispiel von 4 passiert nur eines der fünf dargestellten Lichtbündel die Pupille 404 in jeder Betrachtungsposition. 4 Figure 12 illustrates how the very small size of the aperture 402 results in only a portion of the image being viewable from any position on a viewing plane. 4 shows the five example light beams, each characterized by a certain angle to the optical axis Ax and each emanating from a different part of the image 401. The light beam moving along the optical axis Ax carries the central part of the image, ie it is the light of the center of the image. The other light beams carry the other parts of the image. A consequence of the very small viewing window defined by the stop 402 and the very small entrance opening of the pupil 404 compared to the large viewing distances is that not all of the image content can pass through the entrance pupil 404 at any given viewing position. In other words: Not the entire image content is taken in by the eye. In the example of 4 only one of the five light beams shown passes the pupil 404 in each viewing position.

In diesem Beispiel wird bei der dargestellten Pupillenposition 404 der mittlere Teil des Bildes vom Auge gesehen. Der Rest der Bildinformation ist blockiert. Der Leser wird verstehen, dass, wenn der Betrachter sich nach oben oder unten bewegt, ein anderes Lichtbündel vom Auge empfangen werden kann und z. B. der mittlere Teil des Bildes blockiert sein kann. Der Betrachter sieht also nur einen Teil des gesamten Bildes. Der Rest der Bildinformation ist blockiert. Die Sicht des Betrachters ist mit anderen Worten stark eingeschränkt, da er das Bild durch die kleine Öffnung des Anzeigegeräts selbst betrachtet.In this example, at the illustrated pupil position 404, the middle portion of the image is seen by the eye. The rest of the image information is blocked. The reader will understand that if the viewer moves up or down, a different beam of light may be received by the eye and e.g. B. the middle part of the image may be blocked. So the viewer sees only a part of the whole picture. The rest of the image information is blocked. In other words, the viewer's view is severely limited as he views the image through the small aperture of the display device itself.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Licht über eine Reihe von Winkeln vom Anzeigegerät zum kleinen Sichtfenster ausbreitet. Bei einem Betrachtungsabstand von 1 m kann sich nur ein kleiner Winkelbereich des kleinen Sichtfensters durch die Pupille des Auges ausbreiten, um bei einer bestimmten Augenposition ein Bild auf der Netzhaut zu erzeugen. Es sind nur die Teile des Bildes sichtbar, die in den in 4 gezeigten kleinen Winkelbereich fallen, der durch die Eintrittsöffnung 404 geht. Dementsprechend ist das Sichtfeld sehr klein, und der spezifische Winkelbereich hängt stark von der Augenposition ab.In summary, the light propagates through a range of angles from the display device to the small viewing window. At a viewing distance of 1 m, only a small angular range of the small viewing window can propagate through the pupil of the eye to form an image on the retina at a given eye position. Only the parts of the image that are included in the in 4 shown small angular range that passes through the entrance opening 404. Accordingly, the field of view is very small, and the specific angular range is highly dependent on eye position.

Das in 4 erläuterte Problem des kleinen Sichtfelds und der Empfindlichkeit gegenüber der Augenposition ist eine Folge des großen Betrachtungsabstands und der kleinen Öffnung des Sichtfensters sowie der kleinen Eingangsöffnung des Sichtsystems. Die Bedeutung des Betrachtungsabstands wird in den 5 bis 7 näher erläutert.This in 4 The problem of small field of view and sensitivity to eye position discussed above is a consequence of the long viewing distance and the small aperture of the viewing window and the small entrance aperture of the viewing system. The importance of viewing distance is discussed in the 5 until 7 explained in more detail.

Es ist bekannt, Hologramme zu verwenden, die auf einem geeigneten Anzeigegerät angezeigt und beleuchtet werden, um (reale oder virtuelle) Bilder an einem gewünschten Ort zu erzeugen. Die gegenwärtigen Erfinder haben jedoch festgestellt, dass herkömmliche holografische Techniken nicht geeignet sind, um ein Bild klar und genau mit einem kleinen Anzeigegerät zu erzeugen, insbesondere bei einem relativ großen Betrachtungsabstand oder bei relativ kleinen Betrachtungsöffnungen. Sie haben ferner erkannt, dass dies insbesondere dann der Fall ist, wenn ein Bild, z. B. ein virtuelles Bild, in einer nicht unendlichen Entfernung vom Betrachter dargestellt werden soll. Darüber hinaus haben die Erfinder erkannt, dass herkömmliche holografische Techniken typischerweise auf der Bildung einer holografischen Rekonstruktion des Bildes zwischen der Anzeigevorrichtung und dem Betrachter beruhen, wobei diese holografische Rekonstruktion im freien Raum oder in einem lichtempfindlichen Element gebildet werden kann. Die Bildung einer holografischen Zwischenrekonstruktion erfordert jedoch in der Regel zusätzliche optische Elemente wie Diffusoren, Linsen oder Spiegel, die unpraktisch oder anderweitig unerwünscht sein können, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine kompakte Bauweise erwünscht ist und ein hoher Immobilienwert besteht.It is known to use holograms that are displayed on a suitable display device and illuminated to create images (real or virtual) at a desired location. However, the present inventors have found that conventional holographic techniques are inadequate to produce an image clearly and accurately with a small display device, particularly at a relatively long viewing distance or with relatively small viewing apertures. They have further recognized that this is particularly the case when an image, e.g. B. a virtual image is to be displayed at a non-infinite distance from the viewer. Furthermore, the inventors have recognized that conventional holographic techniques typically rely on the formation of a holographic reconstruction of the image between the display device and the viewer, which holographic reconstruction can be formed in free space or in a photosensitive element. However, the formation of an intermediate holographic reconstruction typically requires additional optical elements such as diffusers, lenses, or mirrors, which may be impractical or otherwise undesirable, particularly in applications where compact design is desired and real estate value is high.

5A zeigt eine Anzeigevorrichtung 502, die so angeordnet ist, dass sie ein Hologramm anzeigt und Licht, das entsprechend dem Hologramm räumlich moduliert wurde, an ein Betrachtungssystem weiterleitet, das eine Eintrittsöffnung 504 und eine Betrachtungsebene 506 umfasst. Die Anzeigevorrichtung in 5A hat eine ähnlich geringe physische Größe wie die Sichtöffnung in 4. In 5A ist außerdem stromaufwärts der Anzeigevorrichtung 502 eine Lichtstrahlspur eines virtuellen Bildes (nicht dargestellt) zu sehen, das das Hologramm darstellt. Das virtuelle Bild 501 befindet sich im Unendlichen, so dass die zwischen dem virtuellen Bild und der Anzeigevorrichtung 502 verfolgten Strahlen kollimiert sind. Das kollimierte Licht aus dem virtuellen Bild wird als aus fünf Lichtstrahlen oder Lichtstrahlenbündeln bestehend dargestellt, was jedoch nur der Veranschaulichung dient und nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung angesehen werden sollte. 5A 12 shows a display device 502 arranged to display a hologram and to transmit light spatially modulated in accordance with the hologram to a viewing system comprising an entrance aperture 504 and a viewing plane 506. FIG. The display device in 5A has a similarly small physical size as the viewing port in 4 . In 5A Also visible upstream of the display device 502 is a light ray trace of a virtual image (not shown) representing the hologram. The virtual image 501 is at infinity, so the rays traced between the virtual image and the display device 502 are collimated. The collimated light from the virtual image is shown as consisting of five light rays or light beams, however, this is for illustration only and should not be taken as a limitation of the present disclosure.

Der untere Teil von 5A zeigt eine vergrößerte Ansicht des Sichtsystems. Diese Figur ist schematisch, weshalb physiologische Details des Auges nicht dargestellt sind. In der Praxis gibt es natürlich eine Lichtquelle (in 5A nicht dargestellt), die die Anzeigevorrichtung 502 beleuchtet.The lower part of 5A shows an enlarged view of the vision system. This figure is schematic, which is why physiological details of the eye are not shown. In practice, of course, there is a light source (in 5A not shown) that illuminates the display device 502.

In 5A ist der Abstand zwischen Anzeigegerät und Betrachtungsebene so gering, dass der volle Beugungswinkel der vom Anzeigegerät ausgehenden Lichtstrahlen das Bild auf der Netzhaut bilden kann. Mit anderen Worten: Die Lichtausbreitungswege aller fünf Lichtstrahlenbündel (die vom virtuellen Bild kommen) durchlaufen die Eintrittsöffnung. Dementsprechend werden alle Punkte des virtuellen Bildes auf der Netzhaut abgebildet und der gesamte Bildinhalt an die Betrachtungsebene geliefert. Das Sichtfeld des wahrgenommenen Bildes ist also maximal. In der optimalen Position ist das Sichtfeld gleich dem Beugungswinkel des Anzeigegeräts. Interessanterweise werden verschiedene Bildpunkte auf der Netzhaut durch Licht gebildet, das sich von verschiedenen Bereichen der Anzeigevorrichtung 502 aus ausbreitet - z. B. wird der Bildpunkt, der in 5A am weitesten oben liegt, durch Licht gebildet, das sich nur vom unteren Teil der Anzeigevorrichtung ausbreitet. Licht, das sich von anderen Bereichen des Anzeigegeräts ausbreitet, trägt nicht zu diesem Bildpunkt bei.In 5A the distance between the display device and the viewing plane is so small that the full angle of diffraction of the light rays emanating from the display device forms the image on the retina the can. In other words, the light propagation paths of all five light beams (coming from the virtual image) pass through the entrance aperture. Accordingly, all points of the virtual image are mapped onto the retina and the entire image content is delivered to the viewing plane. So the field of view of the perceived image is maximum. In the optimal position, the field of view is equal to the diffraction angle of the display device. Interestingly, different pixels on the retina are formed by light propagating from different areas of the display device 502 - e.g. B. the pixel that is in 5A uppermost is formed by light propagating only from the lower part of the display device. Light propagating from other areas of the display device does not contribute to this pixel.

5B zeigt die Situation, die sich ergibt, wenn der Betrachtungsabstand vergrößert wird. 5B shows the situation that arises when the viewing distance is increased.

5B zeigt eine Anzeigevorrichtung 502', die so angeordnet ist, dass sie ein Hologramm anzeigt und entsprechend dem Hologramm moduliertes Licht an ein Betrachtungssystem weiterleitet, das eine Eintrittsöffnung 504' und eine Betrachtungsebene 506' umfasst. Das virtuelle Bild 501' befindet sich im Unendlichen, so dass die zwischen dem virtuellen Bild und der Anzeigevorrichtung verfolgten Strahlen kollimiert sind. Der untere Teil von 5B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Sichtsystems. Diese Figur ist schematisch und zeigt daher keine physiologischen Details des Auges. In der Praxis gibt es natürlich eine Lichtquelle (in 5B nicht dargestellt), die zur Beleuchtung der Anzeigevorrichtung 502' dient. 5B Figure 12 shows a display device 502' arranged to display a hologram and to transmit light modulated according to the hologram to a viewing system comprising an entrance aperture 504' and a viewing plane 506'. The virtual image 501' is at infinity, so the rays traced between the virtual image and the display device are collimated. The lower part of 5B shows an enlarged view of the vision system. This figure is schematic and therefore does not show physiological details of the eye. In practice, of course, there is a light source (in 5B not shown), which is used to illuminate the display device 502'.

5B zeigt nur die Lichtstrahlen, die sich durch die Öffnung 504' ausbreiten können; alle anderen Strahlen, die die Öffnung 504' nicht passieren können, sind weggelassen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich diese anderen Strahlen auch von der Anzeigevorrichtung 502' ausbreiten würden. Bei dem größeren Betrachtungsabstand von 5B hat sich der Lichtkegel in der Betrachtungsebene so weit ausgebreitet, dass einige der Strahlenbündel durch die Eintrittsöffnung 504' blockiert werden (d. h. sie fallen physisch nicht mit ihr zusammen). In diesem Beispiel werden insbesondere die Strahlenbündel, die den Randbereichen des virtuellen Bildes zugeordnet sind, durch die Eintrittspupille 504' blockiert. Wenn jedoch die Eintrittsöffnung 504' parallel zur Betrachtungsebene 506' verschoben wird, können jeweils andere Strahlenbündel mit der Öffnung 504' zusammenfallen, so dass jeweils andere Teile des virtuellen Bildes zu sehen wären. Dementsprechend ist bei einer bestimmten Position der Blende nicht das gesamte virtuelle Bild sichtbar, und der sichtbare Teil des virtuellen Bildes hängt stark von der Position der Blende (z. B. des Auges) ab. Daher sind große Entfernungen zwischen dem Anzeigegerät und dem Betrachtungssystem aufgrund der geringen Größe des Anzeigegeräts problematisch, insbesondere in Verbindung mit einer relativ kleinen Eingangsblende. 5B shows only the rays of light that can propagate through aperture 504'; all other rays that cannot pass through aperture 504' are omitted. However, it goes without saying that these other rays would also propagate from the display device 502'. At the larger viewing distance of 5B the cone of light has spread so far in the viewing plane that some of the ray bundles are blocked by (ie, not physically coincident with) the entrance aperture 504'. In this example, in particular, the bundles of rays associated with the edge regions of the virtual image are blocked by the entrance pupil 504'. However, if the entrance aperture 504' is translated parallel to the viewing plane 506', different beams of rays may coincide with the aperture 504' so that different portions of the virtual image would be seen. Accordingly, the entire virtual image is not visible for a given position of the aperture, and the visible part of the virtual image depends strongly on the position of the aperture (e.g. the eye). Therefore, large distances between the display device and the viewing system are problematic due to the small size of the display device, particularly in conjunction with a relatively small entrance aperture.

6A zeigt ein verbessertes System mit einer Anzeigevorrichtung 602, die Licht, das mit einem auf der Anzeigevorrichtung 602 angezeigten Hologramm kodiert wurde, in Richtung eines Betrachtungssystems ausbreitet, das eine Eintrittsöffnung 604 und eine Betrachtungsebene 606 umfasst. In der Praxis gibt es natürlich eine Lichtquelle (nicht dargestellt), die so angeordnet ist, dass sie die Anzeigevorrichtung 602 beleuchtet. Das verbesserte System umfasst ferner einen Wellenleiter 608, der zwischen der Anzeigevorrichtung 602 und der Eintrittsöffnung 604 angeordnet ist. Der untere Teil von 6A zeigt eine vergrößerte Ansicht der Eintrittspupille 604 und der Betrachtungsebene 604. Diese Figur ist schematisch und zeigt daher keine physiologischen Details des Auges. 6A 12 shows an improved system having a display device 602 that propagates light encoded with a hologram displayed on the display device 602 toward a viewing system that includes an entrance aperture 604 and a viewing plane 606. FIG. In practice, of course, there is a light source (not shown) arranged to illuminate the display device 602 . The improved system further includes a waveguide 608 positioned between the display device 602 and the entrance aperture 604 . The lower part of 6A 12 shows an enlarged view of the entrance pupil 604 and the viewing plane 604. This figure is schematic and therefore does not show physiological details of the eye.

Der Betrachtungsabstand in 6 ist derselbe wie in 5B. Allerdings werden die in 5B blockierten Strahlenbündel durch den Wellenleiter 608 effektiv wiederhergestellt, so dass die volle Bildinformation vom Betrachtungssystem empfangen wird - trotz des größeren Betrachtungsabstands.The viewing distance in 6 is the same as in 5B . However, the in 5B The blocked beam is effectively restored by the waveguide 608 so that the full image information is received by the viewing system - despite the longer viewing distance.

Das Vorhandensein des Wellenleiters 608 ermöglicht es, dass der gesamte Winkelinhalt der Anzeigevorrichtung 602 vom Auge empfangen werden kann, selbst bei diesem relativ großen Projektionsabstand. Dies liegt daran, dass der Wellenleiter 608 als Pupillenerweiterung wirkt, und zwar in einer Weise, die allgemein bekannt ist und daher hier nur kurz beschrieben wird.The presence of the waveguide 608 allows the full angular content of the display 602 to be received by the eye, even at this relatively large throw distance. This is because the waveguide 608 acts as a pupil dilator in a manner that is well known and will therefore only be described briefly here.

Kurz gesagt, der Wellenleiter 608 besteht aus einem im Wesentlichen länglichen Gebilde. In diesem Beispiel besteht er aus einer optischen Platte aus brechendem Material, aber auch andere Arten von Wellenleitern sind bekannt und können verwendet werden. Der Wellenleiter 608 ist so angeordnet, dass er den Lichtkegel, der von der Anzeigevorrichtung 602 projiziert wird, beispielsweise in einem schrägen Winkel schneidet. Größe, Lage und Position des Wellenleiters 608 sind so ausgelegt, dass das Licht von jedem der fünf Strahlenbündel innerhalb des Lichtkegels in den Wellenleiter 608 eintritt. Das Licht aus dem Lichtkegel tritt in den Wellenleiter 608 über dessen erste ebene Fläche 610 (die der Anzeigevorrichtung 602 am nächsten liegt) ein und wird zumindest teilweise über die Länge des Wellenleiters 608 geführt, bevor es über dessen zweite ebene Fläche 612, die der ersten Fläche 610 (die dem Auge am nächsten liegt) im Wesentlichen gegenüberliegt, abgestrahlt wird. Selbstverständlich ist die zweite ebene Fläche 612 teilweise reflektierend und teilweise durchlässig. Mit anderen Worten, wenn jeder Lichtstrahl innerhalb des Wellenleiters 608 von der ersten planaren Oberfläche 610 zur zweiten planaren Oberfläche 612 des Wellenleiters 608 wandert, wird ein Teil des Lichts aus dem Wellenleiter 608 herausgelassen und ein Teil von der zweiten planaren Oberfläche 612 zurück zur ersten planaren Oberfläche 610 reflektiert. Die erste ebene Oberfläche 610 ist reflektierend, so dass alles Licht, das aus dem Hohlleiter 608 auf sie trifft, zur zweiten ebenen Oberfläche 612 zurückreflektiert wird. Daher kann ein Teil des Lichts einfach zwischen den beiden ebenen Oberflächen 610, 612 des Wellenleiters 608 gebrochen werden, bevor es übertragen wird, während anderes Licht reflektiert werden kann und somit eine oder mehrere Reflexionen (oder „Bounces“) zwischen den ebenen Oberflächen 610, 612 des Wellenleiters 608 erfahren kann, bevor es übertragen wird. Ein Nettoeffekt des Wellenleiters 608 ist daher, dass die Übertragung des Lichts effektiv über mehrere Stellen auf der zweiten ebenen Oberfläche 612 des Wellenleiters 608 erweitert wird. Der gesamte von der Anzeigevorrichtung 602 ausgegebene Winkelinhalt kann somit an einer größeren Anzahl von Positionen auf der Anzeigeebene (und an einer größeren Anzahl von Positionen auf der Aperturebene) vorhanden sein, als dies ohne den Wellenleiter 608 der Fall wäre. Dies bedeutet, dass Licht von jedem Strahlenbündel in die Eingangsöffnung 604 eintreten und zu einem Bild beitragen kann, das von der Betrachtungsebene 606 gebildet wird, trotz des relativ großen Projektionsabstands. Mit anderen Worten: Der gesamte Winkelinhalt der Anzeigevorrichtung 602 kann vom Auge empfangen werden. Somit wird der volle Beugungswinkel der Anzeigevorrichtung 602 ausgenutzt und das Sichtfenster für den Benutzer maximiert. Dies wiederum bedeutet, dass alle Lichtstrahlen zum wahrgenommenen virtuellen Bild 601 beitragen.Briefly, the waveguide 608 consists of a generally elongate structure. In this example it consists of an optical slab of refractive material, but other types of waveguides are known and can be used. The waveguide 608 is arranged to intersect the cone of light projected from the display device 602, for example at an oblique angle. The size, location and position of the waveguide 608 are designed so that the light from each of the five beams enters the waveguide 608 within the cone of light. The light from the light cone enters the waveguide 608 via its first planar surface 610 (closest to the display 602) and is guided at least partially down the length of the waveguide 608 before passing over its second planar surface 612, that of the first Area 610 (closest to the eye) substantially opposite, is radiated. Of course, the second planar surface 612 is partially reflective and partially transmissive. In other words, as each ray of light travels within the waveguide 608 from the first planar surface 610 to the second planar surface 612 of the waveguide 608, some of the light is let out of the waveguide 608 and some from the second planar surface 612 back to the first planar Surface 610 reflected. The first planar surface 610 is reflective such that any light striking it from the waveguide 608 is reflected back to the second planar surface 612 . Therefore, some light may simply be refracted between the two flat surfaces 610, 612 of the waveguide 608 before being transmitted, while other light may be reflected and thus cause one or more reflections (or "bounces") between the flat surfaces 610, 612 of the waveguide 608 can be experienced before it is transmitted. A net effect of the waveguide 608 is therefore that the transmission of the light is effectively extended over multiple locations on the second planar surface 612 of the waveguide 608 . The total angular content output by the display device 602 can thus be present at a greater number of positions on the display plane (and at a greater number of positions on the aperture plane) than would be the case without the waveguide 608 . This means that light from each ray bundle can enter the input aperture 604 and contribute to an image formed by the viewing plane 606 despite the relatively large projection distance. In other words, the entire angular content of the display device 602 can be received by the eye. Thus, the full diffraction angle of the display device 602 is utilized and the viewing window for the user is maximized. This in turn means that all light rays contribute to the perceived virtual image 601 .

6B zeigt die einzelnen optischen Pfade für jedes der fünf Strahlenbündel, die zu fünf entsprechenden Bildpunkten innerhalb des virtuellen Bildes 601 aus 6A beitragen - von oben nach unten jeweils mit R1 bis R5 bezeichnet. Wie darin zu sehen ist, wird das Licht von R1 und R2 einfach gebrochen und dann durch den Wellenleiter 608 übertragen. Das Licht von R4 hingegen wird nur einmal gebrochen, bevor es übertragen wird. Das Licht von R3 umfasst einen Teil des Lichts von einem entsprechenden ersten Teil der Anzeigevorrichtung 602, das durch den Wellenleiter 608 einfach gebrochen wird, bevor es übertragen wird, und einen Teil des Lichts von einem zweiten, anderen entsprechenden Teil der Anzeigevorrichtung 602, das vor der Übertragung auf einen einzelnen Bounce trifft. In ähnlicher Weise umfasst das Licht von R5 einen Teil des Lichts von einem entsprechenden ersten Teil der Anzeigevorrichtung 602, der vor der Übertragung auf einen einzigen Rückprall trifft, und einen Teil des Lichts von einem zweiten, anderen entsprechenden Teil der Anzeigevorrichtung 602, der vor der Übertragung auf zwei Rückpralle trifft. Für jeden der Bereiche R3 und R5 verbreiten zwei verschiedene Teile des LCOS das Licht, das diesem Teil des virtuellen Bildes entspricht. 6B shows the individual optical paths for each of the five bundles of rays leading to five corresponding pixels within the virtual image 601 6A contribute - labeled R1 to R5 from top to bottom. As can be seen, the light from R1 and R2 is simply refracted and then transmitted through the waveguide 608. The light from R4, on the other hand, is refracted only once before being transmitted. The light from R3 includes a portion of the light from a corresponding first portion of the display 602 that is simply refracted by the waveguide 608 before being transmitted, and a portion of the light from a second, different corresponding portion of the display 602 that is before of transmission encounters a single bounce. Similarly, the light from R5 includes some light from a corresponding first portion of indicator 602 encountering a single bounce prior to transmission and a portion of light from a second, different corresponding portion of indicator 602 encountering prior to transmission Transmission hits two rebounds. For each of the regions R3 and R5, two different parts of the LCOS propagate the light corresponding to that part of the virtual image.

Die Erfinder haben erkannt, dass es zumindest bei einigen Anwendungen vorteilhaft ist, wenn der Abstand des virtuellen Bildes - d. h. der Abstand zwischen Betrachter und virtuellem Bild - endlich ist, im Gegensatz zu einem virtuellen Bild, das im Unendlichen entsteht. Bei bestimmten Anwendungen gibt es einen bevorzugten virtuellen Bildabstand, bei dem es wünschenswert oder notwendig ist, dass der virtuelle Bildinhalt erscheint. The inventors have recognized that in at least some applications it is advantageous if the distance of the virtual image - i. H. the distance between the viewer and the virtual image - is finite, in contrast to a virtual image that is created at infinity. In certain applications, there is a preferred virtual image distance at which it is desirable or necessary for the virtual image content to appear.

Dies kann z. B. bei einem Head-up-Display der Fall sein, z. B. im Automobilbereich, wenn der virtuelle Bildinhalt dem realen Inhalt überlagert werden soll, der vom Betrachter durch die Windschutzscheibe des Fahrzeugs gesehen wird. Ein gewünschter virtueller Bildabstand kann zum Beispiel darin bestehen, dass der virtuelle Bildinhalt einige Meter, zum Beispiel 3 Meter oder 5 Meter, vor dem Fahrzeug oder der Windschutzscheibe des Betrachters gebildet wird.This can e.g. B. be the case with a head-up display, z. B. in the automotive field, if the virtual image content is to be overlaid on the real content that is seen by the viewer through the windshield of the vehicle. A desired virtual image distance can consist, for example, in the virtual image content being formed a few meters, for example 3 meters or 5 meters, in front of the viewer's vehicle or windshield.

Der obere Teil von 7 zeigt ein System mit einer Anzeigevorrichtung 702, die Licht 703, das mit einem auf der Anzeigevorrichtung 702 dargestellten Hologramm kodiert (d. h. entsprechend moduliert) wurde, in Richtung eines Auges ausbreitet, das eine Eintrittsöffnung 704 und eine Betrachtungsebene 706 aufweist. Es gibt eine Lichtquelle (nicht dargestellt), die so angeordnet ist, dass sie die Anzeigevorrichtung 702 beleuchtet. Das System umfasst ferner einen Wellenleiter 708, der zwischen der Anzeigevorrichtung 702 und der Eintrittsöffnung 704 angeordnet ist, um als Pupillenerweiterung zu wirken, wie oben in Bezug auf 6a im Detail beschrieben. Der mittlere Teil von 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Eintrittsöffnung 704 und der Betrachtungsebene 706, und der unterste Teil von 7 zeigt eine weitere vergrößerte Ansicht der Betrachtungsebene 706. Diese Figur ist schematisch und zeigt daher keine physiologischen Details des Auges. Bei dieser Anordnung nimmt das Auge das virtuelle Bild 701 als in einem endlichen Abstand vor der Anzeigevorrichtung 702 befindlich wahr. Die Lichtstrahlen sind divergent, weil der Abstand des virtuellen Bildes endlich ist.The upper part of 7 12 shows a system having a display device 702 that propagates light 703 encoded (ie, appropriately modulated) with a hologram displayed on the display device 702 toward an eye having an entrance aperture 704 and a viewing plane 706. There is a light source (not shown) arranged to illuminate the display device 702 . The system further includes a waveguide 708 disposed between the display device 702 and the entrance aperture 704 to act as a pupil dilator, as referred to above in relation to FIG 6a described in detail. The middle part of 7 12 shows an enlarged view of the entrance aperture 704 and the viewing plane 706, and the bottom part of FIG 7 FIG. 7 shows another enlarged view of the viewing plane 706. This figure is schematic and therefore does not show physiological details of the eye. With this arrangement, the eye perceives the virtual image 701 as being a finite distance in front of the display device 702 . The light rays are divergent because the distance of the virtual image is finite.

Wie in 6A dargestellt, ermöglicht das Vorhandensein des Wellenleiters 708 in 7 den Zugriff auf den vollen Beugungswinkel der Anzeigevorrichtung 702 bei einem relativ großen Projektionsabstand, so dass der gesamte Bildinhalt für den Benutzer an der gezeigten Betrachtungsposition sichtbar ist.As in 6A shown, allows for the presence of waveguide 708 in 7 access to the full diffraction angle of the display device 702 at a relatively large projection distance, so that the entire image content for the user is visible at the viewing position shown.

Es stellt sich jedoch ein weiteres technisches Problem. Aufgrund des divergenten Lichts und der daraus resultierenden unterschiedlichen Lichtstrahlwinkel können die unterschiedlichen optischen Pfade des Lichts von verschiedenen Teilen der Anzeigevorrichtung 702 für bestimmte Strahlenbündel dazu führen, dass diese Strahlenbündel jeweils mehrere Bildpunkte auf der Netzhaut 706 bilden, wenn das virtuelle Bild in einem endlichen virtuellen Bildabstand gebildet wird. Dies ist in Bezug auf die mit R3' und R5' bezeichneten Strahlenbündel in 7a dargestellt. Die zusätzlich gebildeten Bildpunkte, die einem Hauptbildpunkt für einen bestimmten Punkt innerhalb des virtuellen Bildes untergeordnet sind, können als „Geisterbildpunkte“ bezeichnet werden, und zusammen bilden sie „Geisterbilder“ oder einfach „Geisterbilder“. Wie der Fachmann weiß, kann die Bildung von Geisterbildern zu Unschärfen und einer allgemeinen Verschlechterung der wahrgenommenen Qualität eines virtuellen Bildes aus der Sicht des Betrachters führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die „Geisterbilder“ das „Hauptbild“ teilweise überlappen.However, another technical problem arises. Due to the divergent light and the resulting different light beam angles, the different optical paths of the light from different parts of the display device 702 for certain bundles of rays can result in these bundles of rays each forming several pixels on the retina 706 when the virtual image is at a finite virtual image distance is formed. This is in relation to the ray bundles denoted R3' and R5' in 7a shown. The additional pixels formed which are subordinate to a main pixel for a particular point within the virtual image may be referred to as "ghost pixels" and together they form "ghosts" or simply "ghosts". As those skilled in the art know, ghosting can result in blurring and an overall degradation in the perceived quality of a virtual image from the viewer's perspective. This is especially true when the "ghost" images partially overlap the "main" image.

8 zeigt ein Beispiel für ein virtuelles Bild der Zahlen „5“ und „9“, das mit einem ähnlichen Betrachtungssystem wie in 7a erstellt wurde und zusätzlich zu einem Hauptbild Geisterbilder enthält. Das Hauptbild ist als das hellste, zentrale Bild für jede Zahl zu sehen, mit Geisterbildern links und rechts. Im Beispiel von 8 entsteht die „9“, wenn der Betrachtungsabstand größer ist als bei der „5“, weshalb die Unschärfe bei ihr stärker ausgeprägt ist. 8th shows an example of a virtual image of the numbers "5" and "9" obtained with a similar viewing system as in 7a was created and contains ghost images in addition to a main image. The main image is seen as the brightest, central image for each number, with ghosting left and right. In the example of 8th The "9" is created when the viewing distance is greater than that of the "5", which is why the blurriness is more pronounced with it.

Hologrammberechnung - Beispiel 1Hologram calculation - example 1

Die Erfinder haben sich mit dem Problem der Geisterbilder befasst. Die Erfinder haben erkannt, dass es wünschenswert ist, ein Betrachtungssystem bereitzustellen, in dem ein virtuelles Bild in einem endlichen virtuellen Bildabstand gebildet werden kann, das den gesamten Winkelbildinhalt umfasst, der von einer Anzeigevorrichtung ausgegeben wird, und das die Bildung von Geisterbildern verringert oder beseitigt. Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass mit zunehmender Größe einer Betrachtungsöffnung in einem herkömmlichen Betrachtungssystem das Risiko der Bildung von Geisterbildpunkten steigt, weil die Öffnung zusätzliche Lichtstrahlen durchlassen kann, die zusätzliche Bildpunkte auf der Anzeigeebene bilden können. Daher ist es wünschenswert, ein verbessertes Betrachtungssystem bereitzustellen, das Aperturen unterschiedlicher Größe aufnehmen kann, während die Bildung von Geisterbildern weiterhin reduziert oder beseitigt wird. Die von den Erfindern bereitgestellten Lösungen, die im Folgenden näher erläutert werden, sind für eine Reihe unterschiedlicher Größen und Anordnungen von Blende, Wellenleiter und Anzeigevorrichtung anwendbar und können für unterschiedliche Ausbreitungsabstände eingesetzt werden, bei denen üblicherweise ein oder mehrere Geisterbilder entstehen können. Außerdem können sie für relativ kleine Anzeigegeräte angewandt werden.The inventors have addressed the problem of ghosting. The inventors have recognized that it is desirable to provide a viewing system in which a virtual image can be formed at a finite virtual image distance that encompasses all angular image content output from a display device and that reduces or eliminates ghosting . In addition, the inventors have found that the larger a viewing aperture in a conventional viewing system, the greater the risk of ghosting because the aperture may transmit additional rays of light that may form additional pixels on the display plane. Therefore, it is desirable to provide an improved viewing system that can accommodate apertures of different sizes while still reducing or eliminating ghosting. The solutions provided by the inventors, which are discussed in more detail below, are applicable to a variety of different sizes and configurations of iris, waveguide and display device and can be used for different propagation distances at which one or more ghost images can typically arise. In addition, they can be applied to relatively small display devices.

Im Überblick haben die Erfinder erkannt, dass es möglich ist, eine Lichtmaschine zur Erzeugung eines Hologramms bereitzustellen, die die Bildung von Geisterbildpunkten vermeidet oder reduziert, wenn das Hologramm auf der Anzeigevorrichtung angezeigt und beleuchtet wird, während das vollständige Bild genau betrachtet werden kann. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass es möglich ist, eine Hologramm-Maschine zur Bereitstellung eines solchen Hologramms bereitzustellen und ein verbessertes Betrachtungssystem für die Anzeige und Beleuchtung eines verbesserten Hologramms bereitzustellen, um verbesserte Bilder zu erzeugen, selbst wenn die Projektionsabstände im Betrachtungssystem relativ groß sind und die Anzeigevorrichtung und/oder die Betrachtungsöffnung relativ klein ist.In summary, the inventors have recognized that it is possible to provide a light engine for generating a hologram that avoids or reduces ghosting when the hologram is displayed on the display device and illuminated while the full image can be viewed closely. The inventors have further recognized that it is possible to provide a hologram engine for providing such a hologram and to provide an improved viewing system for displaying and illuminating an improved hologram to produce enhanced images even when the projection distances in the viewing system are relatively large and the display device and/or the viewing aperture is relatively small.

Gemäß einer offenbarten Ausführungsform haben die Erfinder herausgefunden, dass das Hologramm mit Hilfe eines Modellierungsverfahrens, wie z. B. eines Strahlenverfolgungsverfahrens, wie z. B. einer Punktwolken-Hologramm-Berechnungstechnik, bestimmt werden kann. Die Modellierung, wie sie von den vorliegenden Erfindern entwickelt wurde, identifiziert in der Tat einen oder mehrere Bereiche einer Anzeigevorrichtung, die in einer herkömmlichen Anordnung zu einem oder mehreren Geisterbildern beitragen würden, wobei das Hologramm abgeleitet wird, um die Beiträge von diesen einen oder mehreren Bereichen der Anzeigevorrichtung zu steuern und somit die Bildung von Geisterbildpunkten zu vermeiden oder zu verringern, wenn das Hologramm auf der Anzeigevorrichtung angezeigt und beleuchtet wird.According to a disclosed embodiment, the inventors have found that the hologram can be modeled using a modeling method such as e.g. B. a ray tracing method such. B. a point cloud hologram computation technique, can be determined. Indeed, the modeling as developed by the present inventors identifies one or more areas of a display device that in a conventional arrangement would contribute to one or more ghost images, and the hologram is derived to account for the contributions from those one or more to control areas of the display device and thus avoid or reduce the formation of ghost pixels when the hologram is displayed and illuminated on the display device.

Andere Ansätze zur Bestimmung des Hologramms werden hier ebenfalls offengelegt, wie im Folgenden in Bezug auf die nachfolgenden Figuren beschrieben.Other approaches to determining the hologram are also disclosed herein, as described below with respect to subsequent figures.

Die Erfinder haben erkannt, dass es aufgrund der Winkelbeschränkungen, die sich aus einem Betrachtungssystem ergeben, das einen Wellenleiter - wie den in den 6A und 7A gezeigten - mit einer relativ kleinen Betrachtungsöffnung und optional auch eine relativ kleine Anzeigevorrichtung umfasst, möglich ist, die verschiedenen möglichen Ausbreitungswege innerhalb des Wellenleiters getrennt zu betrachten. Darüber hinaus haben die Erfinder erkannt, dass es als Ergebnis einer solchen Betrachtung möglich ist, jeden der folgenden Bereiche zu identifizieren: Bereiche der Anzeigevorrichtung, die die Lichtquelle sind, die zu einem gewünschten „Haupt“-Bild beiträgt; Bereiche der Anzeigevorrichtung, die die Lichtquelle sind, die zu einem unerwünschten „Geister“-Bild beiträgt; und Bereiche der Anzeigevorrichtung, die die Lichtquelle sind, die durch die Blende blockiert wird und daher weder zum Haupt- noch zum Geisterbild beiträgt. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass es möglich ist, die Hologrammberechnung nur auf die Bereiche der Anzeigevorrichtung zu beschränken, die zum Hauptbild beitragen. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass in einer weiteren Verbesserung in einigen Ausführungsformen ein verbessertes Hologramm bereitgestellt werden kann, das bewirkt, dass eines oder mehrere der Geisterbilder übersetzt werden, so dass sie einem Hauptbild überlagert werden.The inventors have recognized that due to the angular limitations resulting from a viewing system incorporating a waveguide such as that shown in FIGS 6A and 7A shown - with a relatively small viewing aperture and optionally also a relatively small display device, it is possible to consider separately the different possible propagation paths within the waveguide. In addition, the inventors have recognized that as a result of such viewing is possible to identify each of the following areas: areas of the display device that are the light source contributing to a desired "main"image; Areas of the display that are the light source contributing to an undesirable "ghost"image; and areas of the display device that are the light source that is blocked by the bezel and therefore does not contribute to either the main or ghost image. The inventors have further recognized that it is possible to limit the hologram calculation to only those areas of the display device that contribute to the main image. The inventors have further recognized that in a further improvement, in some embodiments, an improved hologram can be provided that causes one or more of the ghost images to be translated to be overlaid on a main image.

Die offenbarten Erkennungen und die verbesserten Systeme und Verfahren, die diese Erkennungen verkörpern, können unter Bezugnahme auf die nachstehend beschriebenen Figuren besser verstanden werden.The disclosed discoveries, and the improved systems and methods that embody those discoveries, may be better understood with reference to the figures described below.

9A zeigt eine Anzeigevorrichtung 902, bei der es sich in diesem Beispiel um einen LCOS-Raumlichtmodulator handelt. Der Begriff „LCOS“ wird im Folgenden als Abkürzung für „Anzeigegerät“ verwendet. Die Lehren der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf eine LCOS-Anzeigevorrichtung beschränkt. 9B zeigt das LCOS 902 und verfolgt die Lichtstrahlen in Bezug auf einen virtuellen Bildpunkt vom LCOS 902 über einen Wellenleiter 908 in Richtung einer Betrachtungseinheit/eines Betrachtungssystems 905, das in diesem Beispiel ein Auge des Betrachters umfasst. 9C zeigt eine vergrößerte Ansicht des Auges 905, die die Strahlen an der Pupille 904 (d. h. der Eintrittsöffnung) und der Netzhaut 906 (d. h. der Sensor- oder Betrachtungsebene) zeigt. In diesem Beispiel trägt der gesamte LCOS-Bereich zur Bildung des Bildpunkts auf der Netzhaut 906 bei. Mit anderen Worten, die Gesamtheit des LCOS 902 ist für den Betrachter „sichtbar“. Dieser Beitrag des gesamten LCOS 902 zum Bild wird dadurch veranschaulicht, dass die gesamte LCOS-Fläche schraffiert ist, was ihre gesamte Oberfläche als „beitragende Fläche“ kennzeichnet. 9A Figure 9 shows a display device 902, which in this example is an LCOS spatial light modulator. The term "LCOS" is used below as an abbreviation for "display device". The teachings of the present disclosure are not limited to an LCOS display device. 9B 12 shows the LCOS 902 and traces the light rays with respect to a virtual pixel from the LCOS 902 via a waveguide 908 towards a viewing unit/system 905, which in this example comprises an eye of the viewer. 9C Figure 9 shows an enlarged view of the eye 905 showing the rays at the pupil 904 (ie the entrance aperture) and the retina 906 (ie the sensor or viewing plane). In this example, the entire LCOS region contributes to the formation of the pixel on the retina 906. In other words, the entirety of the LCOS 902 is "visible" to the viewer. This contribution of the entire LCOS 902 to the image is illustrated by the entire LCOS area being hatched, indicating its entire surface as a "contributing area".

Wie in den 9B und 9C zu sehen ist, führt das vom LCOS 902 verfolgte Licht zur Bildung von drei Bildpunkten - bezeichnet als G1, M bzw. G2 - auf der Netzhaut 906 für diesen speziellen virtuellen Bildpunkt. Der mittlere Bildpunkt „M“ ist ein Hauptbildpunkt, der zu dem vom Betrachter wahrgenommenen virtuellen Primär-/Hauptbild beiträgt. Der obere Bildpunkt G1 umfasst einen ersten Geisterbildpunkt und der untere Bildpunkt G2 umfasst einen zweiten, anderen Geisterbildpunkt desselben virtuellen Bildpunktes. Insbesondere haben die Erfinder erkannt, dass es möglich ist, den oder die Bereiche des LCOS 902 zu identifizieren, die zu dem Hauptbildpunkt M und/oder zu den Geisterbildpunkten G1, G2 beitragen.As in the 9B and 9C As can be seen, the light tracked by the LCOS 902 results in the formation of three pixels - labeled G1, M, and G2 respectively - on the retina 906 for that particular virtual pixel. The center pixel "M" is a main pixel that contributes to the virtual primary/main image as perceived by the viewer. The top pixel G1 includes a first ghost pixel and the bottom pixel G2 includes a second, different ghost pixel of the same virtual pixel. In particular, the inventors have recognized that it is possible to identify the area or areas of the LCOS 902 that contribute to the main pixel M and/or to the ghost pixels G1, G2.

Die 10A bis 10C zeigen das LCOS 902 und das Strahlendiagramm der 9A bis 9C, aufgeteilt in jeweils drei Ausbreitungspfade, von denen der erste das Licht umfasst, das zum unteren Geisterbildpunkt G2 beiträgt, der zweite das Licht, das zum Hauptbildpunkt M beiträgt, und der dritte das Licht, das zum oberen Geisterbildpunkt G1 beiträgt. Wie in 10A zu sehen ist, wird das Licht, das zu G2 beiträgt, dreimal reflektiert, bevor es durch den Wellenleiter 908 übertragen wird. Wie in 10B zu sehen ist, wird das Licht, das zu M beiträgt, zweimal umgelenkt, bevor es durch den Wellenleiter 908 übertragen wird. Wie in 10C zu sehen ist, wird das Licht, das zu G1 beiträgt, einmal umgelenkt, bevor es durch den Wellenleiter 908 übertragen wird.The 10A until 10C show the LCOS 902 and the ray diagram of FIG 9A until 9C , divided into three propagation paths each, the first of which includes the light contributing to the lower ghost pixel G2, the second the light contributing to the main pixel M, and the third the light contributing to the upper ghost pixel G1. As in 10A As can be seen, the light contributing to G2 is reflected three times before being transmitted through waveguide 908. As in 10B As can be seen, the light contributing to M is redirected twice before being transmitted through waveguide 908. As in 10C As can be seen, the light contributing to G1 is redirected once before being transmitted through waveguide 908.

In jeder Figur (10A, 10B, 10C) sind auch die Bereiche des LCOS 902, die zu dem jeweiligen Bildpunkt beitragen, schattiert dargestellt. So ist zu erkennen, dass der untere Geisterbildpunkt G2 von einem Bereich im unteren Teil des LCOS 902, der obere Geisterbildpunkt G1 von einem Bereich im oberen Teil des LCOS 902 und der Hauptbildpunkt vom gesamten LCOS 902 beeinflusst wird.Also in each figure (10A, 10B, 10C) the areas of the LCOS 902 that contribute to each pixel are shaded. Thus, it can be seen that the lower ghost pixel G2 is influenced by an area in the lower part of the LCOS 902, the upper ghost pixel G1 by an area in the upper part of the LCOS 902, and the main pixel by the entire LCOS 902.

Die Blende 904 (d. h. die Pupille des Betrachters) ist im Beispiel der 9A bis 9C und 10A bis 10C relativ weit, was erklärt, warum das gesamte LCOS 902 zum Hauptbildpunkt beiträgt. Mit anderen Worten, die Blendenzahl des Betrachtungssystems ist in diesem Beispiel relativ niedrig. Die 10A bis 10C zeigen, dass Teile des LCOS 902 zwar auch zu dem einen oder anderen Geisterbild G1, G2 beitragen, dass es aber einen Bereich des LCOS 902 gibt, der weder zu dem einen noch zu dem anderen Geisterbild G1, G2 beiträgt, sondern nur zu dem Hauptbildpunkt M. Die Erfinder haben erkannt, dass dieser Bereich als ein beitragsfähiger Bereich für das LCOS 902 in diesem Beispiel identifiziert werden kann - genauer gesagt kann er als ein „primär beitragsfähiger Bereich“ identifiziert werden, wie aus der Beschreibung der nachfolgenden Figuren weiter ersichtlich wird. Es ist daher in diesem Fall zu erkennen, dass der primäre Beitragsbereich nicht auf einen Kreis oder eine Ellipse beschränkt ist und auch andere, komplexere Formen annehmen kann.The aperture 904 (ie the viewer's pupil) is in the example 9A until 9C and 10A until 10C relatively large, which explains why the entire LCOS 902 contributes to the main pixel. In other words, the f-number of the viewing system is relatively low in this example. The 10A until 10C show that while portions of the LCOS 902 also contribute to one or the other ghost G1, G2, there is a portion of the LCOS 902 that does not contribute to either ghost G1, G2, only the main pixel M. The inventors have recognized that this area can be identified as a contributing area for the LCOS 902 in this example - more specifically, it can be identified as a "primary contributing area" as will become more apparent from the description of the figures below. It can therefore be seen in this case that the primary contribution area is not limited to a circle or an ellipse and can also take on other, more complex shapes.

Die 11A bis 11C zeigen die entsprechenden Strahlendiagramme für verschiedene Punkte des virtuellen Bildes, wenn die Eintrittsapertur relativ klein ist (d. h. die Blendenzahl relativ hoch ist). 11A bezieht sich auf einen ersten Feldpunkt des virtuellen Bildes (d. h. einen ersten Punkt des virtuellen Bildes), 11B auf einen zweiten Feldpunkt des virtuellen Bildes und 11C auf einen dritten Feldpunkt des virtuellen Bildes. Die 11A bis 11C zeigen, dass nicht das gesamte LCOS 902 zum Hauptbildpunkt beiträgt. Vielmehr zeigen die 11A bis 11C, dass ein erster Bereich der LCOS den Hauptbildpunkten entspricht (hier als „primär beitragender Bereich“ bezeichnet) und ein zweiter Bereich der LCOS den Geisterbildpunkten entspricht (hier als „sekundär beitragender Bereich“ bezeichnet).The 11A until 11C show the corresponding ray diagrams for different points of the virtual image when the entrance aperture is relatively small (ie, the f-number is relatively high). 11A refers to a first field point of the virtual image (ie a first point of the virtual image), 11B to a second field point of the virtual image and 11C to a third field point of the virtual image. The 11A until 11C show that not all of the LCOS 902 contributes to the main pixel. Rather, they show 11A until 11C that a first area of the LCOS corresponds to the main pixels (referred to herein as "primary contributing area") and a second area of the LCOS corresponds to ghost pixels (referred to herein as "secondary contributing area").

Die Erfinder haben erkannt, dass unter bestimmten Bedingungen jeweils unterschiedliche Bereiche des LCOS 902 (oder eines anderen Anzeigegeräts in einem Betrachtungssystem) entweder zu einem Hauptbild oder zu einem Geisterbild oder zu keinem sichtbaren Teil eines Bildes beitragen. Sie haben ferner erkannt, dass der Prozess der Hologrammbestimmung anhand dieser Informationen optimiert werden kann. So kann beispielsweise das Licht von bestimmten Teilen der Anzeigevorrichtung weggelassen werden, oder in einigen Fällen kann die Art und Weise, in der diese Teile der Anzeigevorrichtung durch das Hologramm kodiert werden, so geändert werden, dass sie positiv zum Hauptbild beitragen, anstatt zu einem Geisterbild beizutragen. Darüber hinaus können zusätzliche Bereiche der Anzeigevorrichtung identifiziert werden, die so konfiguriert werden können, dass sie einen positiven Beitrag zum Hauptbild leisten.The inventors have recognized that under certain conditions, different areas of the LCOS 902 (or other display device in a viewing system) contribute to either a main image, a ghost image, or no visible portion of an image. They have also recognized that the hologram determination process can be optimized using this information. For example, the light from certain parts of the display can be omitted, or in some cases the way in which those parts of the display are encoded by the hologram can be changed so that they contribute positively to the main image rather than a ghost image to contribute. In addition, additional areas of the display device can be identified that can be configured to make a positive contribution to the main image.

Die von den Erfindern vorgenommenen Erkennungen werden im Folgenden anhand eines Beispiels in Bezug auf Punktwolkenhologramme beschrieben. Sie können jedoch auch auf andere Arten von Hologrammen angewandt werden, wie z. B. ein Fourier- oder Fresnel-Hologramm, wie in Bezug auf die nachfolgenden Figuren im weiteren Verlauf dieser Offenbarung näher erläutert wird. Das heißt, andere Hologrammberechnungsmethoden können gemäß den Erkenntnissen der Erfinder, wie sie in dieser Offenbarung dargelegt sind, optimiert werden.The detections made by the inventors are described below by way of example in relation to point cloud holograms. However, they can also be applied to other types of holograms, such as e.g. B. a Fourier or Fresnel hologram, as will be explained in more detail with reference to the following figures in the further course of this disclosure. That is, other hologram calculation methods may be optimized according to the inventors' findings as set forth in this disclosure.

Wie allgemein bekannt, wird das Bild für die Berechnung eines Punktwolkenhologramms eines Bildes (z. B. eines virtuellen Bildes) normalerweise in eine Vielzahl einzelner Punkte zerlegt (d. h. durch diese dargestellt), die hier als „virtuelle Punkte“ bezeichnet werden, da wir die Bildung virtueller Bilder beschreiben. Eine Kugelwelle (oder ein „Wavelet“) wird dann rechnerisch - d. h. mit Hilfe eines Modells oder eines anderen theoretischen Hilfsmittels - von jedem virtuellen Punkt an seinem beabsichtigten oder gewünschten Ort innerhalb des virtuellen Bildes auf die Ebene des Anzeigegeräts - wie die Ebene des LCOS in den oben beschriebenen Beispielen - übertragen. Die Art und Weise, in der solche Wavelets miteinander interferieren würden, wird berücksichtigt, und die resultierende Amplitude und/oder Phase des Wavelets, das an jedem Pixel des Anzeigegeräts empfangen würde, wird berechnet. Die Anzeigevorrichtung kann dann auf bekannte und hier nicht weiter beschriebene Weise so eingestellt werden, dass sie die Amplituden- und/oder Phasenmodulation aufweist, die an jedem Pixel erforderlich ist, um die berechneten Wavelets nachzuahmen und so ein Hologramm des Bildes zu erzeugen.As is well known, for the calculation of a point cloud hologram of an image (e.g. a virtual image), the image is usually broken down into (i.e. represented by) a large number of individual points, which are referred to here as "virtual points" since we use the Describe formation of virtual images. A spherical wave (or "wavelet") is then computed - i. H. using a model or other theoretical tool - from each virtual point at its intended or desired location within the virtual image - to the plane of the display device - such as the plane of the LCOS in the examples described above. The manner in which such wavelets would interfere with each other is considered and the resultant amplitude and/or phase of the wavelet that would be received at each pixel of the display device is calculated. The display device can then be adjusted, in a manner known and not further described here, to have the amplitude and/or phase modulation required at each pixel to mimic the calculated wavelets and so produce a hologram of the image.

Die Erfinder haben erkannt, dass bei einem Betrachtungssystem mit einem Wellenleiter und einem großen Betrachtungsabstand, wie hier beschrieben, wenn die gesamte Anzeigevorrichtung mit der Nettoamplitude und -phase der entsprechenden Wavelets aller virtuellen Punkte gefüllt ist, das entstehende Hologramm bei der Anzeige und Beleuchtung ein oder mehrere Geisterbilder sowie ein Hauptbild erzeugen kann. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Betrachtungssystem so konfiguriert ist, dass ein virtuelles Bild in einer endlichen Entfernung vom Betrachter wahrgenommen wird. Darüber hinaus werden in vielen Fällen Lichtstrahlen, die von den Pixeln in einigen Teilen des Geräts emittiert werden, vergeudet (d. h. sie tragen nicht zu dem Bild bei, das der Betrachter sieht oder wahrnimmt), weil die physikalischen Beschränkungen des Betrachtungssystems (z. B. eine kleine Blende und/oder ein kleines Anzeigegerät und/oder ein großer Projektionsabstand) dazu führen, dass das Licht von diesen Teilen des Geräts nicht in das Auge des Betrachters gelangt. Daher haben die Erfinder erkannt, dass eine intelligente Auswahl getroffen werden kann, welche Teile der Anzeigevorrichtung so eingestellt werden, dass ein Hologramm entsteht. Insbesondere, wenn nur diejenigen Abschnitte (oder Teile oder Regionen) des LCOS ausgewählt werden, die zu einem Hauptbild beitragen - und wenn Wavelets rechnerisch nur von den virtuellen Punkten des beabsichtigten virtuellen Bildes zu diesen Abschnitten des LCOS propagiert werden - und nicht zu anderen Abschnitten des LCOS, die nicht zum Hauptbild beitragen -, kann die resultierende Amplitude und/oder Phase des Wavelets berechnet werden, die an jedem Pixel innerhalb des ausgewählten Bereichs der Anzeigevorrichtung empfangen würde. Für alle anderen Teile des Anzeigegeräts ist keine Berechnung erforderlich.The inventors have recognized that in a single waveguide viewing system with a long viewing distance as described herein, when the entire display device is filled with the net amplitude and phase of the corresponding wavelets of all virtual points, the resulting hologram when displayed and illuminated is a or can produce multiple ghost images as well as one main image. This can be particularly the case when the viewing system is configured to view a virtual image at a finite distance from the viewer. In addition, in many cases light rays emitted by pixels in some parts of the device are wasted (i.e. do not contribute to the image that the viewer sees or perceives) because the physical limitations of the viewing system (e.g. a small aperture and/or a small display device and/or a long throw distance) prevent the light from these parts of the device from reaching the viewer's eye. Therefore, the inventors have recognized that an intelligent selection can be made as to which parts of the display device are adjusted in such a way that a hologram is produced. In particular, if only those sections (or portions or regions) of the LCOS are selected that contribute to a main image - and if wavelets are computationally propagated only from the virtual points of the intended virtual image to those sections of the LCOS - and not to other sections of the LCOS that do not contribute to the main image - the resultant amplitude and/or phase of the wavelet that would be received at each pixel within the selected area of the display device can be calculated. No calculation is required for all other parts of the indicator.

Das Anzeigegerät kann dann in Übereinstimmung mit der verbesserten Berechnung so eingestellt werden, dass es die Amplituden- und Phasenmodulation aufweist, die an jeder Pixelposition innerhalb des/der ausgewählten Abschnitts/Abschnitte erforderlich ist, um die berechneten Wavelets zu imitieren und somit ein Hologramm des Hauptbildes zu erzeugen. Wenn dies geschehen ist, besteht keine Notwendigkeit, andere Teile des LCOS abzustimmen, und daher werden keine Bildinformationen von diesen anderen Teilen zum Auge des Betrachters (oder einer anderen Betrachtungseinheit) übertragen, wenn das berechnete Hologramm auf dem Anzeigegerät angezeigt und beleuchtet wird. Daher stehen dem Betrachter keine Informationen zur Verfügung, was zur Bildung eines unerwünschten „Geister“-Bildpunkts führen könnte. Infolgedessen wird/werden der/die Geisterpunkt(e) eliminiert oder „gelöscht“. Darüber hinaus werden keine Berechnungs- oder Bildinformationen verschwendet, da nur die Pixel der Anzeigevorrichtung eingestellt werden, von denen bekannt ist, dass sie Licht liefern, das durch die Pupille des Betrachters (oder durch die Öffnung einer entsprechenden anderen Betrachtungseinheit) für einen bestimmten Satz von Bedingungen (z. B. für eine bestimmte Öffnungsweite und Position des Auges) eingelassen wird.The display device can then be adjusted in accordance with the improved calculation to have the amplitude and phase modulation required at each pixel position within the selected section(s) to mimic the calculated wavelets and thus a hologram of the main image to create. When this is done there is no need to change other parts of the LCOS and therefore no image information is transmitted from these other parts to the viewer's eye (or other viewing entity) when the calculated hologram is displayed and illuminated on the display device. Therefore, no information is available to the viewer which could lead to the formation of an unwanted "ghost" pixel. As a result, the ghost point(s) will be eliminated or "erased". In addition, no computational or image information is wasted, as only those pixels of the display device are adjusted that are known to provide light passing through the viewer's pupil (or through the aperture of a corresponding other viewing unit) for a given set of Conditions (z. B. for a certain opening width and position of the eye) is admitted.

12A zeigt ein System 1200, das ein virtuelles Bild mit einem beispielhaften virtuellen Punkt 1201 erzeugt. Das Betrachtungssystem 1200 umfasst eine Anzeigevorrichtung 1202, bei der es sich in diesem Beispiel um ein LCOS-SLM handelt, das einen beitragenden Bereich 1203 und einen nicht beitragenden Bereich 1207 umfasst, die gemäß der vorliegenden Offenbarung identifiziert wurden. Die Anzeigevorrichtung 1202 ist so angeordnet, dass sie ein Hologramm des virtuellen Bildes anzeigt und Licht, das entsprechend dem Hologramm kodiert wurde, in Richtung eines Auges 1205 projiziert, das eine Pupille (nicht dargestellt), die als Öffnung dient, eine Linse 1209 und eine Netzhaut 1206, die als Betrachtungsebene dient, umfasst. Die Linse 1209 und die Netzhaut sind durch einen Trennungsabstand „A“ voneinander getrennt. Es gibt eine Lichtquelle (nicht dargestellt), die so angeordnet ist, dass sie die Anzeigevorrichtung 1202 beleuchtet. Das Betrachtungssystem 1200 umfasst ferner einen Wellenleiter 1208, der zwischen dem LCOS 1202 und dem Auge 1205 angeordnet ist. Diese Figur ist schematisch, daher sind physiologische Details des Auges nicht dargestellt. 12A FIG. 12 shows a system 1200 that generates a virtual image with an exemplary virtual point 1201. FIG. Viewing system 1200 includes a display device 1202, which in this example is an LCOS SLM, including a contributing region 1203 and a non-contributing region 1207 identified in accordance with the present disclosure. The display device 1202 is arranged to display a hologram of the virtual image and to project light encoded according to the hologram towards an eye 1205 which has a pupil (not shown) serving as an aperture, a lens 1209 and a Retina 1206 serving as the viewing plane. The lens 1209 and retina are separated by a separation distance "A". There is a light source (not shown) arranged to illuminate the display device 1202 . The viewing system 1200 further includes a waveguide 1208 disposed between the LCOS 1202 and the eye 1205 . This figure is schematic, therefore physiological details of the eye are not shown.

Der virtuelle Punkt 1201 befindet sich stromaufwärts von der Anzeigevorrichtung 1202, was in 12A dadurch dargestellt ist, dass sich der virtuelle Punkt 1201 links von der Anzeigevorrichtung 1202 befindet. Der virtuelle Punkt 1201 hat einen Standort, der durch Raumkoordinaten definiert ist, die in diesem Beispiel kartesische (x, y, z) Koordinaten umfassen, aber auch andere Koordinatensysteme oder andere Mittel zur Identifizierung des Standorts des virtuellen Punkts können verwendet werden. Zwischen dem virtuellen Punkt 1201 und der Anzeigevorrichtung 1202 wird ein Abstand „z“ in einer Richtung definiert, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Anzeigevorrichtung 1202 verläuft. Außerdem ist zwischen der Anzeigevorrichtung 1201 und der Augenlinse 1209 ein Abstand „I“ definiert, der im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Anzeigevorrichtung 1201 verläuft. Die numerischen Werte von „z“ und „I“ variieren in Abhängigkeit von der jeweiligen Anordnung des Sichtsystems 1200 zu einem bestimmten Zeitpunkt, einschließlich der Position des Betrachters. Beispielsweise kann der Abstand „I“ zwischen Anzeige und Linse in der Größenordnung von etwa 1 Meter liegen und der Abstand „z“ zwischen Anzeige und Bild kann größer sein, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Metern. Diese Zahlenbeispiele dienen jedoch nur der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend zu betrachten.Virtual point 1201 is upstream of display device 1202, which is shown in 12A represented by the virtual point 1201 being to the left of the display device 1202. The virtual point 1201 has a location defined by spatial coordinates, which in this example include Cartesian (x,y,z) coordinates, but other coordinate systems or other means of identifying the location of the virtual point may be used. A distance "z" is defined between the virtual point 1201 and the display device 1202 in a direction substantially parallel to the optical axis of the display device 1202 . In addition, a distance "I" is defined between the display device 1201 and the eye lens 1209 , which runs essentially parallel to the optical axis of the display device 1201 . The numerical values of "z" and "I" will vary depending on the particular placement of the vision system 1200 at any given time, including the position of the viewer. For example, the display-to-lens distance "I" may be on the order of about 1 meter and the display-to-image distance "z" may be larger, for example on the order of a few meters. However, these numerical examples are for illustrative purposes only and are not to be considered as limiting.

Die Erfinder haben erkannt, dass, wenn ein virtuelles Bild, das den virtuellen Bildpunkt 1201 umfasst, von einem Betrachter an der in 12 dargestellten Stelle wahrgenommen werden soll, ein entsprechender Bildpunkt 1211 auf der Netzhaut 1206 gebildet werden muss. Lichtstrahlen können von dem virtuellen Punkt 1201 des virtuellen Bildes über das LCOS 1202 zu einem entsprechenden Punkt 1211 auf der Netzhaut 1211 verfolgt werden.The inventors have recognized that when a virtual image comprising the virtual pixel 1201 is viewed by a viewer at the in 12 the position shown is to be perceived, a corresponding pixel 1211 must be formed on the retina 1206. Rays of light can be traced from the virtual point 1201 of the virtual image via the LCOS 1202 to a corresponding point 1211 on the retina 1211 .

Es wird deutlich, dass mehr als ein möglicher optischer Pfad zwischen dem virtuellen Punkt 1201 und dem entsprechenden Punkt 1211 auf der Netzhaut über das LCOS 1202 aufgrund der möglichen Pfade, die durch den Wellenleiter 1208 erzeugt werden, genommen werden kann. Gemäß Ausführungsformen kann ein Hauptlichtstrahl bestimmt werden, der einen Lichtstrahlenweg aus einer Vielzahl von Lichtstrahlenwegen zwischen dem virtuellen Bildpunkt 1201 und dem entsprechenden Punkt 1211 auf der Betrachtungsebene (d.h. der Retina 1206) umfasst. Wenn dieser Hauptstrahlengang identifiziert ist, wird die Anzahl der Umlenkungen bestimmt, die das Licht des Hauptstrahls innerhalb des Wellenleiters durchläuft. Diese Anzahl der Abprallungen (B) kann als die Anzahl der Abprallungen festgelegt werden, für die Strahlen zwischen dem virtuellen Bild und der Betrachtungsebene verfolgt werden sollen. In bestimmten Ausführungsformen kann zunächst der Hauptstrahl - und die zugehörige Anzahl (B) von Abprallungen - ermittelt werden.It is clear that more than one possible optical path can be taken between the virtual point 1201 and the corresponding point 1211 on the retina via the LCOS 1202 due to the possible paths created by the waveguide 1208. According to embodiments, a main light ray may be determined comprising one of a plurality of light ray paths between the virtual image point 1201 and the corresponding point 1211 on the viewing plane (i.e. the retina 1206). When this main ray path is identified, the number of deflections that the light of the main ray undergoes within the waveguide is determined. This number of bounces (B) can be defined as the number of bounces for which rays are to be traced between the virtual image and the viewing plane. In certain embodiments, the main jet—and the associated number (B) of rebounds—can be determined first.

Im vorliegenden Beispiel kann die Strahlenverfolgung den Teil des LCOS 1202 bestimmen, durch den der „Hauptstrahl“ zwischen dem virtuellen Bildpunkt 1201 und dem entsprechenden Punkt 1211 auf der Netzhaut verläuft, um den „beitragenden Bereich“ 1203 für diesen virtuellen Bildpunkt 1201 zu ermitteln. In 12 ist daher ein Lichtstrahl „r“ dargestellt, der sich zwischen dem virtuellen Bildpunkt 1201 und dem beitragenden Bereich 1203 der Anzeigevorrichtung 1202 ausbreitet. Gemäß den Erkenntnissen der Erfinder müssen vom virtuellen Bildpunkt 1201 und der Anzeigevorrichtung 1202 nur die Wavelets modelliert (oder anderweitig rechnerisch berücksichtigt) werden, die zum beitragenden Bereich des LCOS beitragen. Mit anderen Worten, nur der identifizierte beitragende Bereich 1203 der Anzeigevorrichtung 1202 muss kodiert (oder „abgestimmt“) werden, um ein geeignetes Hologramm zu erzeugen. Ein solches Hologramm, das auf der Anzeigevorrichtung kodiert und in geeigneter Weise beleuchtet wird, würde es ermöglichen, dass der virtuelle Bildpunkt 1201 vom Betrachter wahrgenommen wird, ohne dass Geisterbilder dieses virtuellen Punktes 1201 ebenfalls vorhanden sind. Dies lässt sich anhand der 13 und 14, auf die weiter unten eingegangen wird, besser verstehen.In the present example, ray tracing can determine the part of the LCOS 1202 through which the "principal ray" passes between the virtual pixel 1201 and the corresponding point 1211 on the retina to determine the "contributing area" 1203 for that virtual pixel 1201. In 12 therefore, a ray of light “r” is shown propagating between the virtual pixel 1201 and the contributing area 1203 of the display device 1202. FIG. According to the findings of the inventors, from the virtual pixel 1201 and the display device 1202 only those wavelets are modeled (or otherwise computationally considered) that contribute to the contributing region of the LCOS. In other words, only the identified contributing area 1203 of the display device 1202 needs to be encoded (or “tuned”) to create an appropriate hologram. Such a hologram, encoded on the display device and appropriately illuminated, would allow the virtual pixel 1201 to be perceived by the viewer without ghost images of that virtual pixel 1201 also being present. This can be done using the 13 and 14 , which will be discussed below, better understand.

Der beitragspflichtige Bereich 1203 in 12B - und die beitragspflichtigen Bereiche, die unten in Bezug auf die 13 und 14 erörtert werden - können in Übereinstimmung mit dem Schnittpunkt des Hauptstrahls mit der Anzeigevorrichtung angeordnet werden. Beispielsweise kann der beitragspflichtige Bereich um den Punkt zentriert sein, an dem der Hauptstrahl die Anzeigevorrichtung schneidet. Die Größe und Form des beitragenden Bereichs kann auf der Grundlage der Größe und Form der Eintrittsöffnung der entsprechenden Anzeigeeinheit und der zugehörigen Optik (z. B. Wellenleitergeometrie, etwaige Reflexionen innerhalb eines größeren optischen Systems usw.) festgelegt werden. Handelt es sich bei der Betrachtungseinheit um ein menschliches Auge, so kann der zugehörige Bereich auf der Anzeigevorrichtung in einigen Fällen eine im Wesentlichen kreisförmige oder elliptische Form oder eine andere geeignete Form, z. B. eine komplexe Form, mit einer ähnlichen Größe wie die Empfangspupille aufweisen. Die vorliegende Offenbarung umfasst jedoch auch komplexere Formen für den beitragenden Bereich. Der Durchmesser der Augenpupille kann auf jede geeignete Weise gemessen oder geschätzt werden. Die Messung des Pupillendurchmessers kann beispielsweise mit einem Augenverfolgungssystem durchgeführt werden. Alternativ kann er auf der Grundlage bekannter Bereiche des Pupillendurchmessers des Auges (z. B. 2-6 mm) oder auf der Grundlage einer anderen Schätzung unter Berücksichtigung der Umgebungslichtbedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt geschätzt werden.The contributory area 1203 in 12B - and the contributory areas below in relation to the 13 and 14 discussed - can be arranged in accordance with the intersection of the main ray with the display device. For example, the taxable area may be centered around the point where the chief ray intersects the display device. The size and shape of the contributing region can be determined based on the size and shape of the entrance aperture of the relevant display device and associated optics (e.g., waveguide geometry, any reflections within a larger optical system, etc.). When the viewing entity is a human eye, the associated area on the display device may in some cases be substantially circular or elliptical in shape, or some other suitable shape, e.g. B. have a complex shape with a similar size as the receiving pupil. However, the present disclosure also encompasses more complex shapes for the contributing region. The diameter of the pupil of the eye can be measured or estimated in any suitable way. The measurement of the pupil diameter can be carried out with an eye tracking system, for example. Alternatively, it can be estimated based on known ranges of the eye's pupil diameter (e.g. 2-6mm) or based on some other estimate taking into account the ambient light conditions at a given point in time.

Der beitragende Bereich kann so eingestellt werden, dass er absichtlich zu einem Bereich (auf der Blendenebene) beiträgt, der etwas größer als die Pupille ist, und/oder zu einem Bereich (auf der Blendenebene), der eine etwas andere Form als die Pupille (oder eine andere Blende) hat. In einem solchen Fall kann nicht das gesamte Licht aus einem „beitragenden Bereich“ zu jeder Zeit durch die Pupille gelangen, aber das Auge kann sich ein wenig bewegen, während es immer noch genügend Licht sammelt, um ein gutes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen.The contributing area can be set to intentionally contribute to an area (on the aperture plane) that is slightly larger than the pupil and/or to an area (on the aperture plane) that has a slightly different shape than the pupil ( or another aperture). In such a case, not all of the light from a "contributing area" can pass through the pupil at all times, but the eye can move a little while still collecting enough light to form a good image on the retina.

13 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der beitragenden und nicht beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung. Optional können diese Bestimmungen dann verwendet werden, um die Erzeugung eines oder mehrerer Hologramme für die Anzeige und Beleuchtung durch ein Betrachtungssystem wie das System 1200 von 12 zu optimieren. Bei dem in 13 offenbarten Verfahren umfasst das Betrachtungssystem ein Objektiv mit einer „f“-Zahl (d. h. Brennweite und Blende) und eine Kamera. Das lichtempfindliche Bauteil der Kamera kann z. B. eine CCD-Zeile sein und wird in der Betrachtungsebene angeordnet. Das Objektiv und die Kamera ersetzen funktionell die Augenlinse und die Netzhaut des menschlichen Auges eines Betrachters und werden ausschließlich für den Prozess der Bestimmung der beitragenden und nicht beitragenden Bereiche der Anzeigevorrichtung verwendet. Diese Bereiche der Anzeigevorrichtung können für eine Vielzahl von Betrachtungspositionen (z. B. Augenpositionen innerhalb einer Eye-Motion-Box) und/oder eine Vielzahl von Bildabständen (z. B. virtuelle Bildabstände vor einem Fahrzeug) bestimmt werden. In mancher Hinsicht kann das in 13 dargestellte Verfahren als Vorläufer der Hologrammberechnung angesehen werden. Das Verfahren kann als Optimierungs- oder sogar als Kalibrierungsprozess angesehen werden. 13 FIG. 10 shows a method for determining the contributing and non-contributing areas of the display device, according to an aspect of this disclosure. Optionally, these determinations can then be used to guide the creation of one or more holograms for display and illumination by a viewing system such as system 1200 of FIG 12 to optimize. At the in 13 In the methods disclosed, the viewing system includes a lens with an “f” number (ie, focal length and aperture) and a camera. The light-sensitive component of the camera can, for. B. be a CCD line and is placed in the viewing plane. The lens and camera functionally replace the eye lens and retina of a viewer's human eye and are used solely in the process of determining the contributing and non-contributing areas of the display device. These areas of the display device can be determined for a multiplicity of viewing positions (e.g. eye positions within an eye-motion box) and/or a multiplicity of image distances (e.g. virtual image distances in front of a vehicle). In some ways that can in 13 The methods presented can be regarded as precursors of hologram calculation. The procedure can be seen as an optimization or even a calibration process.

Selbstverständlich kann jedes virtuelle Bild, das erzeugt werden soll, durch einen oder mehrere virtuelle Bildpunkte dargestellt werden, von denen jeder einen entsprechenden Ort hat, der z. B. durch (x, y, z)-Koordinaten definiert ist. Die Schritte eins 1302 bis sechs 1312 (im Folgenden näher erläutert) des Verfahrens 1300 von 13 können separat auf jeden virtuellen Bildpunkt innerhalb eines zu erstellenden virtuellen Bildes angewendet werden. Darüber hinaus gilt das Verfahren 1300 für einen bestimmten Satz von Bedingungen - d. h. für bestimmte Messungen und Beschränkungen - des Betrachtungssystems. Daher gilt jede beliebige Iteration (oder jeder beliebige „Durchlauf“) des Verfahrens 1300 für den Aufbau eines bestimmten zu erzeugenden Bildes (virtueller Bildpunkt für virtuellen Bildpunkt) und für den Fall, dass das System einen bestimmten Anzeige-Bild-Abstand „z“, einen bestimmten Abstand „d“ zwischen der Anzeigevorrichtung und der Netzhaut hat, eine bestimmte Öffnungsweite (Pupille) und einen bestimmten virtuellen Bildabstand, auf den das Auge fokussiert ist. Eine Iteration des Verfahrens 1300 ist auch spezifisch für eine bestimmte Größe und einen bestimmten Typ der Anzeigevorrichtung und für eine bestimmte Position des Auges mit einem zulässigen Sichtfenster. Es kann andere Messungen und/oder Einschränkungen geben, für die jede Iteration des Verfahrens spezifisch ist. Wenn sich eine dieser Messungen oder Einschränkungen ändert, kann das Verfahren 1300 erneut durchgeführt werden, um den/die beitragenden Bereich(e) der Anzeigevorrichtung unter den geänderten Umständen neu zu bestimmen. Es versteht sich jedoch, dass gemäß Ausführungsformen bestimmte Toleranzen auf eine oder mehrere dieser Messungen oder Einschränkungen angewandt werden können, so dass das Verfahren nicht erneut durchgeführt werden muss, wenn sie sich um weniger als einen vorbestimmten Betrag und/oder für weniger als eine vorbestimmte Zeitdauer ändern. Die Regeln dafür, wann die Methode wiederholt werden sollte, können für jedes System einzeln festgelegt werden.Of course, each virtual image to be created can be represented by one or more virtual pixels, each having a corresponding location, e.g. B. is defined by (x,y,z) coordinates. Steps one 1302 through six 1312 (discussed in more detail below) of the method 1300 of FIG 13 can be applied separately to each virtual pixel within a virtual image to be created. In addition, the method 1300 applies to a specific set of conditions - ie, specific measurements and constraints - of the viewing system. Therefore, any iteration (or "run") of method 1300 for the construction of a particular image to be rendered (virtual pixel by virtual pixel) and in the event that the system has a particular display-image distance "z", has a certain distance "d" between the display device and the retina, a certain aperture width (pupil) and a certain virtual image distance at which the eye is focused. An iteration of the method 1300 is also specific to a particular size and type of display device and to a particular position of the eye with an allowable viewing window. There may be other measurements and/or constraints for which each iteration of the method is specific fish is. If any of these measurements or constraints change, the method 1300 may be re-performed to re-determine the contributing area(s) of the display under the changed circumstances. However, it should be understood that, according to embodiments, certain tolerances may be applied to one or more of these measurements or constraints such that the method need not be re-performed if they differ by less than a predetermined amount and/or for less than a predetermined length of time change. The rules for when the method should be repeated can be set individually for each system.

Das Verfahren 1300 kann von einem geeigneten Prozessor durchgeführt werden. Der Prozessor kann eine Hologramm-Maschine umfassen oder in ihr enthalten sein oder mit ihr in Verbindung stehen. Der Prozessor oder das Hologramm-Modul kann in einem Lichtmodul enthalten sein.Method 1300 may be performed by any suitable processor. The processor may comprise, be included in, or be in communication with a hologram engine. The processor or the hologram module can be contained in a light module.

Der Prozessor kann vor der Durchführung des Verfahrens 1300 Randinformationen über das Betrachtungssystem erhalten oder empfangen. Beispielsweise kann er Informationen über die Größe von Komponenten wie der Anzeigevorrichtung, Informationen über die absoluten und/oder relativen Positionen verschiedener Komponenten und des Betrachtungssystems (z. B. des potenziellen menschlichen Betrachters), Informationen über die Lichtquelle usw. erhalten oder empfangen.The processor may obtain or receive edge information about the viewing system prior to performing method 1300 . For example, it may obtain or receive information about the size of components such as the display device, information about the absolute and/or relative positions of various components and the viewing system (e.g., the potential human viewer), information about the light source, and so on.

Gemäß dem Verfahren 1300 wird in einem ersten Schritt 1302 der Ort - z. B. die Koordinaten [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] - des virtuellen Bildpunkts (hier auch kurz als „virtueller Punkt“ bezeichnet) ermittelt, der dem Ort entspricht, an dem das virtuelle Bild wahrgenommen werden soll. Anschließend wird der Abstand des virtuellen Bildes zwischen dem Objektiv 1209 und dem virtuellen Punkt ermittelt oder bestimmt. Dieser virtuelle Bildabstand kann von dem Prozessor, der das Verfahren 1300 durchführt, festgelegt oder bestimmt werden, oder er kann von einer anderen Instanz festgelegt oder bestimmt und an diesen Prozessor übermittelt werden. In einigen Anordnungen kann er voreingestellt oder aus einer Vielzahl von möglichen virtuellen Bildabständen ausgewählt werden. Im realen Betrieb, wenn es sich bei dem Betrachtungssystem um ein Auge handelt, können bei der Bestimmung des virtuellen Bildabstands Informationen über die Augen- oder Kopfverfolgung verwendet werden.According to the method 1300, in a first step 1302 the location - e.g. B. the coordinates [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] - of the virtual image point (here also referred to as "virtual point" for short) is determined, which corresponds to the location at which the virtual image is to be perceived. Then the distance of the virtual image between the lens 1209 and the virtual point is ascertained or determined. This virtual image distance may be set or determined by the processor performing method 1300, or may be set or determined by another entity and communicated to that processor. In some arrangements it can be preset or selected from a variety of possible virtual image distances. In real operation, when the viewing system is an eye, eye or head tracking information can be used in determining the virtual image distance.

In einem zweiten Schritt 1304 wird der erforderliche Abstand „A“ zwischen dem Objektiv und dem Sensor für die Fokussierung auf den virtuellen Bildpunkt bestimmt. Jeder virtuelle Bildpunkt kann auch durch einen Winkel definiert sein - siehe 4. Der Begriff „Winkelinhalt“ bezieht sich hier auf die virtuellen Bildpunkte des virtuellen Bildes.In a second step 1304, the required distance "A" between the lens and the sensor for focusing on the virtual pixel is determined. Each virtual pixel can also be defined by an angle - see 4 . The term “angular content” here refers to the virtual pixels of the virtual image.

In einem dritten Schritt 1306 wird eine Anzahl von Lichtreflexionen oder -rückprallungen „B“ innerhalb des Wellenleiters bestimmt, die mit einem vom Betrachtungssystem erzeugten Haupt- oder Primärbild verbunden sind. Der Fachmann auf dem Gebiet der Optik wird verstehen, dass der Wellenleiter eine Vielzahl von Nachbildungen des Lichts erzeugt, die dem virtuellen Bildpunkt zugeordnet sind, und jede Nachbildung kann mit einer unterschiedlichen Anzahl von Lichtreflexionen innerhalb des Wellenleiters verbunden sein. Eine Möglichkeit, B zu bestimmen, besteht beispielsweise darin, den Schnittpunkt des Hauptstrahls mit der Anzeigevorrichtung für jeden möglichen Lichtausbreitungspfad im Wellenleiter zu bestimmen und die Anzahl der Reflexionen/Bouncings auszuwählen, die den Hauptstrahl am nächsten zum Zentrum der Anzeigevorrichtung bringt. Vorteilhafterweise ist bei diesem Ansatz die Fläche der Anzeigevorrichtung, die zum Sichtsystem beiträgt, am größten.In a third step 1306, a number of light reflections or bounces "B" within the waveguide associated with a main or primary image produced by the viewing system is determined. Those skilled in the art of optics will understand that the waveguide creates a variety of replicas of the light associated with the virtual pixel, and each replica may be associated with a different number of light reflections within the waveguide. For example, one way to determine B is to determine the intersection point of the chief ray with the display for each possible light propagation path in the waveguide and choose the number of reflections/bouncing that brings the chief ray closest to the center of the display. Advantageously, with this approach, the area of the display device that contributes to the vision system is the largest.

Eine andere Möglichkeit zur Berechnung der Anzahl der im dritten Schritt 1306 zu verwendenden Bounces besteht in den nachstehenden Unterschritten 1 bis 5:

  • 1. die Augenposition ist bekannt und wird als Eingabe verwendet Strahlengang von der Mitte des Anzeigegeräts zur ermittelten Augenposition für eine erste Anzahl von Bounces, B. Die Extrapolation dieses Strahls in Richtung des virtuellen Bildes definiert einen Winkel im Sichtfeld (θB) für diese Anzahl von Bounces (B).
  • 3) Strahlenverlauf vom Zentrum des Anzeigegeräts zur ermittelten Augenposition für eine zweite Anzahl von Bounces, B+1. Die Extrapolation dieses Strahls in Richtung des virtuellen Bildes definiert einen Winkel im Sichtfeld (θB+1) für diese Anzahl von Rücksprüngen (B+1).
  • 4. B ist die Anzahl der für den Winkelinhalt verwendeten Bounces zwischen θB und θB + (θB+1 - 0B)/2
  • 5. B+1 ist die Anzahl der für den Winkelinhalt verwendeten Bounces zwischen θB + (θB+1 - θB)/2 und θB
Another way to calculate the number of bounces to use in the third step 1306 is to use substeps 1 through 5 below:
  • 1. the eye position is known and is used as input Ray path from the center of the display device to the determined eye position for a first number of bounces, B. Extrapolating this ray towards the virtual image defines an angle in the field of view (θ B ) for that number of bounces (B).
  • 3) Ray path from the center of the display device to the detected eye position for a second number of bounces, B+1. The extrapolation of this ray in the direction of the virtual image defines an angle in the field of view (θ B+1 ) for that number of returns (B+1).
  • 4. B is the number of bounces used for angular content between θ B and θ B + (θ B+1 - 0 B )/2
  • 5. B+1 is the number of bounces used for angular content between θ B + (θ B+1 - θ B )/2 and θ B

Die Ausgabe des ersten Schritts 1302 (d. h. die Koordinaten des virtuellen Bildpunkts) und des dritten Schritts 1306 (der Parameter B) werden in einem vierten Schritt 1308 verwendet, um die entsprechende Bildposition/den entsprechenden Bildpunkt auf dem Sensor [xsensor, ysensor, zsensor] zu bestimmen. Das heißt, der vierte Schritt 1308 bestimmt den Punkt auf dem Sensor, auf dem das Licht des virtuellen Bildpunktes empfangen wird. Mit anderen Worten, der Punkt auf dem Sensor, an dem der virtuelle Bildpunkt abgebildet wird. Dieser Punkt auf dem Sensor wird im Folgenden mit Bezug auf 14 als Hauptbildpunkt [xsensor, ysensor, zsensor] bezeichnet. Nur als Beispiel kann eine rechnerische Strahlenverfolgung vom virtuellen Punkt zum Sensor für B- Bounces innerhalb des Wellenleiters verwendet werden, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diesen Ansatz für den vierten Schritt beschränkt.The output of the first step 1302 (ie the coordinates of the virtual pixel) and the third step 1306 (the parameter B) are used in a fourth step 1308 to calculate the corresponding image position/pixel on the sensor [ xsensor , ysensor , zsensor ] to determine. That is, the fourth step 1308 determines the point on the sensor at which the light of the virtual pixel is received. With in other words, the point on the sensor where the virtual pixel is imaged. This point on the sensor is referred to below 14 referred to as the main pixel [ xsensor , ysensor , zsensor ]. For example only, computational ray tracing from the virtual point to the sensor can be used for B-bounces within the waveguide, but the present disclosure is not limited to this fourth step approach.

Der Fachmann wird verstehen, dass ein Hauptlichtstrahl (oder einfach Hauptstrahl) von dem virtuellen Punkt [xvirtuell,yvirtuell,zvirtuell] zu dem Punkt auf dem Sensor [xsensor, ysensor, zsensor] identifiziert werden kann. Auch hier kann die rechnergestützte Strahlenverfolgung zur Identifizierung oder Verfolgung des Hauptstrahls verwendet werden, aber andere Methoden sind ebenfalls anwendbar. In einem fünften Schritt 1310 wird ein Schnittpunkt der Anzeigevorrichtung [xLCOS (B), yLCOS (B), zLCOS (B)] identifiziert, wobei der Schnittpunkt der Anzeigevorrichtung die Stelle auf der Anzeigevorrichtung ist, an der der Hauptstrahl die Anzeigevorrichtung schneidet. Der Schnittpunkt des Anzeigegeräts kann bestimmt, berechnet oder gemessen werden, z. B. durch computergestützte Strahlenverfolgung.Those skilled in the art will understand that a main light ray (or simply main ray) can be identified from the virtual point [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the point on the sensor [ xsensor , ysensor , zsensor ]. Again, computational ray tracing can be used to identify or track the main ray, but other methods are also applicable. In a fifth step 1310, a display intersection [x LCOS (B), y LCOS (B), z LCOS (B)] is identified, where the intersection of the display is the location on the display where the chief ray intersects the display . The point of intersection of the display device can be determined, calculated or measured, e.g. B. by computer-aided ray tracing.

In einem sechsten Schritt 1312 wird ein Bereich der Anzeigevorrichtung identifiziert, der mit dem Schnittpunkt der Anzeigevorrichtung [xLCOS (B), yLCOS (B), zLCOS (B)] verbunden ist. Der Bereich der Anzeigevorrichtung kann geometrisch auf diesen Punkt zentriert sein [xLCOS (B), yLCOS (B), zLCOS (B)]. Die Fläche kann zum Beispiel ein Kreis oder eine Ellipse sein, aber auch andere, komplexere Formen sind denkbar. Handelt es sich bei der Fläche um eine regelmäßige Form wie einen Kreis oder eine Ellipse, so kann der Radius der Fläche bestimmt werden, z. B. in Abhängigkeit von der Blendenzahl des Objektivs des Betrachtungssystems. Die Fläche wird hier als „primäre beitragende Fläche“ bezeichnet, da sie einem primären Bild entspricht, das durch das Betrachtungssystem erzeugt wird. Das Wort „beitragend“ bedeutet, dass die Pixel des Anzeigegeräts innerhalb des identifizierten Bereichs des Anzeigegeräts die Pixel sind, die den notwendigen Informationsgehalt für den Sensor liefern. Andere Bereiche des Anzeigegeräts (d. h. andere Pixel des Anzeigegeräts) tragen nicht zur Bildung des Bildpunkts auf dem Sensor bei. Die anderen Pixel können natürlich zu anderen Bildpunkten auf dem Sensor beitragen, die mit anderen virtuellen Bildpunkten verbunden sind.In a sixth step 1312, a portion of the display associated with the intersection of the display [x LCOS (B), y LCOS (B), z LCOS (B)] is identified. The area of the display device can be geometrically centered on this point [x LCOS (B), y LCOS (B), z LCOS (B)]. The area can be a circle or an ellipse, for example, but other, more complex shapes are also conceivable. If the area is a regular shape such as a circle or an ellipse, the radius of the area can be specified, e.g. B. depending on the f-number of the lens of the viewing system. The surface is referred to herein as the "primary contributing surface" because it corresponds to a primary image produced by the viewing system. The word "contributing" means that the pixels of the display device within the identified area of the display device are the pixels that provide the necessary information content for the sensor. Other areas of the display device (ie other pixels of the display device) do not contribute to the formation of the pixel on the sensor. Of course, the other pixels can contribute to other pixels on the sensor that are associated with other virtual pixels.

Das Verfahren gemäß dem Hauptaspekt der vorliegenden Offenbarung endet mit der Bestimmung der primär beitragenden Fläche der Anzeigevorrichtung. Optional kann ein Hologramm auf der Grundlage der primären beitragenden Fläche bestimmt werden - und nicht auf der gesamten Fläche des Anzeigegeräts.The method according to the main aspect of the present disclosure ends with the determination of the primary contributing area of the display device. Optionally, a hologram can be determined based on the primary contributing area - rather than the entire area of the display device.

Dementsprechend wird in einem optionalen siebten Schritt 1314 eine Hologrammkomponente für den primären beitragenden Bereich auf der Grundlage des virtuellen Punktes bestimmt. Insbesondere werden Lichtparameter für die primäre beitragende Fläche bestimmt. Bei den Lichtparametern kann es sich um Amplitude und/oder Phase für jedes Pixel des primären beitragenden Bereichs handeln. Beispielsweise können Lichtamplitude und -phase für jedes Pixel innerhalb des primären beitragenden Bereichs auf der Grundlage der Ausbreitung des Lichts von dem virtuellen Punkt zu dem primären beitragenden Bereich unter Verwendung eines Punktwolkenverfahrens bestimmt werden, das dem Fachmann bekannt ist. Die Hologrammkomponente für den virtuellen Punkt kann gespeichert und mit der Hologrammkomponente für die anderen virtuellen Punkte als Teil des im folgenden Abschnitt beschriebenen iterativen Prozesses kombiniert werden, um ein vollständiges Hologramm für das gesamte virtuelle Bild zu erstellen.Accordingly, in an optional seventh step 1314, a hologram component for the primary contributing area is determined based on the virtual point. In particular, light parameters are determined for the primary contributing surface. The light parameters can be amplitude and/or phase for each pixel of the primary contributing area. For example, light amplitude and phase for each pixel within the primary contributing area can be determined based on the propagation of the light from the virtual point to the primary contributing area using a point cloud method known to those skilled in the art. The hologram component for the virtual point can be stored and combined with the hologram component for the other virtual points as part of the iterative process described in the following section to create a complete hologram for the entire virtual image.

Im siebten Schritt 1314 wird jedem Pixelwert der Anzeigevorrichtung innerhalb des primären Beitragsbereichs ein Lichtmodulationswert (z. B. ein Amplituden- und/oder Phasenwert) zugewiesen. Dies wird erreicht, indem die Ausbreitung einer Lichtwelle von [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] zu dem primär beitragenden Bereich betrachtet und die Amplitude und/oder Phase zu den Pixeln der Anzeigevorrichtung innerhalb des gewünschten Radius von [xLCOS (B), yLCOS (B), zLCOS (B)] addiert wird. Das heißt, die Amplitude und/oder Phase des Lichts, das vom virtuellen Bildpunkt ausgeht und an jedem Punkt (d. h. Pixel) des primären Beitragsbereichs ankommt, wird unter Berücksichtigung der Ausbreitung der Lichtwelle bestimmt - d. h. der Amplitude und/oder Phase der Lichtwelle nach Zurücklegen der Strecke vom virtuellen Bildpunkt zu jedem Pixel. Diese Bestimmung kann durch eine beliebige Anzahl verschiedener Techniken erfolgen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Optik bekannt sind. Diese Bestimmung kann durch experimentelle Messung erfolgen.In the seventh step 1314, a light modulation value (e.g., an amplitude and/or phase value) is assigned to each pixel value of the display device within the primary contribution region. This is achieved by considering the propagation of a lightwave from [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] to the primary contributing region and measuring the amplitude and/or phase to the pixels of the display device within the desired radius of [x LCOS (B), y LCOS ( B), z LCOS (B)] is added. That is, the amplitude and/or phase of the light emanating from the virtual image point and arriving at each point (i.e. pixel) of the primary contribution area is determined taking into account the propagation of the lightwave - i.e. the amplitude and/or phase of the lightwave after travel the distance from the virtual picture point to each pixel. This determination can be made by any number of different techniques known to those skilled in the optical arts. This determination can be made by experimental measurement.

Die ersten bis siebten Schritte können für jeden virtuellen Punkt innerhalb eines virtuellen Bildes, das mit dem Hologramm projiziert werden soll, wiederholt werden. Beispielsweise kann die Vielzahl der Hologrammkomponenten addiert werden, um ein resultierendes Hologramm für jedes Pixel der Anzeigevorrichtung zu erzeugen. Zum Beispiel kann die komplexe Amplitude an jedem Pixel für die Ausbreitung von allen virtuellen Bildpunkten addiert werden. Wenn das Hologramm auf einem reinen Phasenmodulator angezeigt werden soll, kann die Amplitudenkomponente der resultierenden komplexen Amplitudensumme ignoriert werden, so dass nur die Phase übrig bleibt. Allgemeiner ausgedrückt, ist das Ergebnis eine diffraktive Struktur, die dem virtuellen Bild entspricht und die, wenn sie auf dem Anzeigegerät im Betrachtungssystem angezeigt und beleuchtet wird, das virtuelle Bild bildet.The first through seventh steps can be repeated for each virtual point within a virtual image to be projected with the hologram. For example, the plurality of hologram components can be added to create a resulting hologram for each pixel of the display device. For example, the complex amplitude at each pixel can be added for propagation from all virtual pixels. If the hologram is to be displayed on a pure phase modulator, the amplitude component of the resulting complex amplitude the sum can be ignored, leaving only the phase. More generally, the result is a diffractive structure that corresponds to the virtual image and that when displayed and illuminated on the display device in the viewing system forms the virtual image.

Das Hologramm kann auf dem Anzeigegerät angezeigt oder kodiert werden. Dadurch wird das Anzeigegerät so eingestellt, dass es das Licht so moduliert, dass der Betrachter das virtuelle Bild in der gewünschten Entfernung wahrnehmen kann.The hologram can be displayed on the display device or encoded. This sets the display device to modulate the light so that the viewer can see the virtual image at the desired distance.

Das Verfahren 1300 kann im Wesentlichen gleichzeitig (oder in sehr schneller Abfolge) für jeden einer Vielzahl virtueller Punkte innerhalb eines virtuellen Bildes durchgeführt werden, so dass ein geeignetes Hologramm für das gesamte virtuelle Bild sehr schnell abgeleitet und auf der Anzeigevorrichtung kodiert werden kann, und zwar für eine gegebene Betrachtungseinstellung und für bestimmte numerische Messungen und Beschränkungen. Wenn sich etwas ändert, das die Identifizierung der beitragenden Bereiche und/oder die erforderliche Einstellung der Anzeigevorrichtung beeinflussen könnte, kann das Verfahren erneut durchgeführt werden. Der Prozessor kann so konfiguriert sein, dass er das Verfahren in einer zeitgesteuerten Schleife und/oder als Reaktion auf ein Signal, das anzeigt, dass eine Änderung eingetreten ist, und/oder wenn sich der Inhalt oder die Identität des erforderlichen virtuellen Bildes ändert, erneut durchführt. Der Prozessor kann einen Speicher enthalten oder mit diesem in Verbindung stehen, um zuvor berechnete Daten zu speichern. Beispielsweise kann eine Nachschlagetabelle oder ein anderes Speichermittel vorgesehen sein, das den/die aktiven Bereich(e) des Anzeigegeräts für ein bestimmtes virtuelles Bild oder einen bestimmten virtuellen Punkt unter einem bestimmten Satz von Messungen und/oder Beschränkungen angibt.The method 1300 can be performed substantially simultaneously (or in very rapid succession) for each of a plurality of virtual points within a virtual image, such that an appropriate hologram for the entire virtual image can be derived and encoded on the display device very quickly, viz for a given viewing setting and for certain numerical measurements and constraints. If anything changes that could affect the identification of the contributing areas and/or the required adjustment of the display device, the method can be performed again. The processor may be configured to repeat the method in a timed loop and/or in response to a signal indicating that a change has occurred and/or when the content or identity of the required virtual image changes performs. The processor may include or be in communication with memory to store previously computed data. For example, a look-up table or other storage means may be provided that specifies the active area(s) of the display device for a particular virtual image or point under a particular set of measurements and/or constraints.

Das Verfahren 1300 kann sehr schnell ausgeführt (oder wiederholt) werden, um eine Reihe verschiedener virtueller Bilder in schneller Folge anzuzeigen und/oder um genau auf Änderungen der Bedingungen, wie z. B. die Bewegung des Benutzers, zu reagieren. Obwohl in dem System von 12 nur ein Auge dargestellt ist, kann das Verfahren 1300 so konfiguriert werden, dass es beide Augen des Betrachters und/oder ein anderes Betrachtungssystem mit zwei oder mehr Eintrittsöffnungen berücksichtigt. Auch wenn sich einige der obigen Beschreibungen auf eine Öffnungsbreite beziehen, wird man verstehen, dass eine Pupille (und die meisten anderen Öffnungen für Betrachtungseinheiten) zweidimensional ist und ihre Größe in jeder dieser beiden Dimensionen ändern kann. Das Verfahren 1300 kann so konfiguriert werden, dass es die zweidimensionale Blendengröße und deren Änderungen berücksichtigt.The method 1300 can be performed (or repeated) very quickly to display a series of different virtual images in quick succession and/or to accurately respond to changes in conditions, such as weather conditions. B. the movement of the user to react. Although in the system of 12 only one eye is shown, the method 1300 can be configured to accommodate both eyes of the viewer and/or another viewing system with two or more entrance apertures. Although some of the above descriptions refer to aperture width, it will be understood that a pupil (and most other sight apertures) is two-dimensional and can change size in either of these two dimensions. The method 1300 can be configured to take into account the two-dimensional aperture size and its changes.

Die Erfinder fanden heraus, dass ein Hologramm eines virtuellen Bildes mit dem unter Bezugnahme auf 13 offenbarten Verfahren effizient ermittelt werden konnte. Allerdings stellten die Erfinder auch fest, dass in einigen Fällen nur ein relativ kleiner Teil des LCOS genutzt wurde, wenn nicht alle Bereiche des LCOS genutzt wurden, die konventionell Licht ausbreiten würden, das Geisterbilder bilden würde. In einem bemerkenswerten technischen Fortschritt fanden die Erfinder Wege, um zusätzliche Bereiche des LCOS zu nutzen, zusätzlich zu dem primären beitragenden Bereich, und um Hologrammwerte für diese zusätzlichen Bereiche zu berechnen, die es ihnen ermöglichen würden, Licht zur Verstärkung des primären Bildes beizutragen, anstatt unerwünschte Geisterbilder zu bilden.The inventors found that a virtual image hologram with the reference to FIG 13 disclosed method could be efficiently determined. However, the inventors also found that in some cases only a relatively small portion of the LCOS was used, if not all areas of the LCOS that would conventionally propagate light that would ghost form were used. In a notable technical advance, the inventors found ways to utilize additional areas of the LCOS, in addition to the primary contributing area, and to calculate hologram values for these additional areas that would allow them to contribute light to enhance the primary image instead form unwanted ghost images.

Wie allgemein bekannt, kann der optische Weg, den ein Lichtstrahl durch einen Wellenleiter in einem Betrachtungssystem nimmt, seine Weglänge gegenüber den Weglängen für die entsprechenden anderen Strahlen erhöhen. In der Regel sind solche Vergrößerungen im Vergleich zum virtuellen Bildabstand „v“ wahrscheinlich gering und daher für das Auge nicht sichtbar.As is well known, the optical path taken by a ray of light through a waveguide in a viewing system can increase its path length over the path lengths for the corresponding other rays. Typically, such magnifications are likely to be small compared to the virtual image distance "v" and therefore not visible to the eye.

14 zeigt ein noch weiter verbessertes Verfahren 1400 nach zusätzlichen Erkenntnissen, das für ein System wie das System 1200 von 12 angewendet werden kann. Das Verfahren 1400 der 14 umfasst alle Schritte des Verfahrens 1300 der 13 und zusätzlich die Verarbeitung eines oder mehrerer der dem virtuellen Punkt entsprechenden Geisterbildpunkte, die ebenfalls vorhanden sein können und die konventionell zur Wahrnehmung eines oder mehrerer Geisterbilder des virtuellen Bildes führen würden. 14 FIG. 14 shows an even further improved method 1400 based on additional findings that can be used for a system like the system 1200 of FIG 12 can be applied. The procedure 1400 of 14 includes all steps of method 1300 of 13 and additionally processing one or more of the sprites corresponding to the virtual point which may also be present and which conventionally would result in the perception of one or more sprites of the virtual image.

Das Verfahren 1400 kann von einem geeigneten Prozessor durchgeführt werden. Der Prozessor kann eine Hologramm-Maschine umfassen oder in ihr enthalten sein oder mit ihr in Verbindung stehen. Der Prozessor oder das Hologramm-Modul kann in einem Lichtmodul enthalten sein.Method 1400 may be performed by any suitable processor. The processor may comprise, be included in, or be in communication with a hologram engine. The processor or the hologram module can be contained in a light module.

Der Prozessor kann vor der Durchführung des Verfahrens Randinformationen über das System erhalten oder empfangen. Beispielsweise kann er Informationen über die Größe von Komponenten wie der Anzeigevorrichtung, Informationen über die absoluten und/oder relativen Positionen verschiedener Komponenten und des Betrachters, Informationen über die Lichtquelle usw. erhalten oder empfangen.The processor may obtain or receive peripheral information about the system prior to performing the method. For example, it may obtain or receive information about the size of components such as the display device, information about the absolute and/or relative positions of various components and the viewer, information about the light source, and so on.

In einigen Fällen haben die Erfinder festgestellt, dass die Geisterbildpunkte dadurch entstehen, dass das Licht von dem entsprechenden virtuellen Punkt durch einen Teil der Anzeigevorrichtung fällt, der sich von dem „primär beitragenden Bereich“ unterscheidet, durch den der Hauptstrahl des Hauptbildes läuft. In den vorangegangenen Figuren werden solche Teile der Anzeigevorrichtung als „sekundär beitragende Bereiche“ bezeichnet. Das Licht, das einen oder mehrere Geisterbildpunkte erzeugt, kann als ein oder mehrere „Geisterstrahlen“ bezeichnet werden. Die Lichtstrahlen, die das Geisterbild erzeugen, können innerhalb des Wellenleiters eine andere Anzahl von Umlenkungen erfahren als die Lichtstrahlen, die dem Hauptbild entsprechen, um auch durch die enge Pupille des Auges des Betrachters zu gelangen und mit der Netzhaut zusammenzutreffen. Wenn also festgestellt wird, dass der Hauptstrahl, der dem Hauptbild entspricht, innerhalb des Wellenleiters „B“ Umlenkungen erfährt, kann festgestellt werden, dass das Licht, das einem Geisterbild entspricht, „B + ΔB“ Umlenkungen erfährt, wobei ΔB eine negative oder positive ganze Zahl sein kann, in der Regel eine einstellige Zahl, zum Beispiel im Bereich von -5 bis +5.In some cases, the inventors have found that the ghost pixels are caused by that the light from the corresponding virtual point passes through a part of the display device other than the "primary contributing area" through which the main ray of the main image passes. In the previous figures, such parts of the display device are referred to as "secondary contributing areas". The light that creates one or more ghost pixels may be referred to as one or more "ghost rays." The light rays that create the ghost image may undergo a different number of turns within the waveguide than the light rays corresponding to the main image in order to also pass through the narrow pupil of the viewer's eye and meet the retina. Thus, if it is determined that the principal ray corresponding to the main image undergoes diversions within the waveguide "B", it can be determined that the light corresponding to a ghost undergoes diversions "B + ΔB", where ΔB is negative or positive may be an integer, typically a single digit number, for example in the range -5 to +5.

Nach dem verbesserten Verfahren 1400 von 14 können nach dem vierten Schritt 1308 des Verfahrens 1300 von 13, in dem die Lage des Hauptbildpunkts auf der Betrachtungsebene festgelegt wird - beispielsweise seine Koordinaten (x-Sensor, y-Sensor, z-Sensor) -, die nachfolgenden Schritte des Verfahrens 13 von 13 fortgesetzt werden und zusätzlich, beispielsweise parallel oder zu einem späteren Zeitpunkt, eine weitere Reihe von Schritten wie folgt für mindestens einen Wert von DB durchgeführt werden. Zusammenfassend bestimmt das verbesserte Verfahren 1400 von 14, wie viele Abprallungen ‚B + ΔB‘ ein Geisterstrahl von den Koordinaten [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell] des virtuellen Punktes aus durchlaufen hätte, um einen Geisterbildpunkt in der Betrachtungsebene zu bilden. Dann bestimmt das verbesserte Verfahren 1400 einen verschobenen (oder geänderten) Ort des virtuellen Punktes, von dem aus sich das Licht ausbreiten und „B + ΔB“-Rückprallungen innerhalb des Wellenleiters erleiden könnte, um zum Hauptbildpunkt in der Betrachtungsebene zu gelangen, anstatt einen separaten Geisterbildpunkt zu bilden. Eine Stelle auf dem LCOS, über die ein Lichtstrahl vom übersetzten Ort des virtuellen Punktes zum Hauptbildpunkt gelangt, kann dann identifiziert und entsprechend mit einem Hologramm kodiert werden. Auf diese Weise können ein oder mehrere zusätzliche Bereiche des LCOS (mit Ausnahme des primären Beitragsbereichs) mit Hologrammwerten kodiert werden, um zum Hauptbild beizutragen und gleichzeitig die Erzeugung von Geisterbildern zu vermeiden.According to the improved method 1400 from 14 after the fourth step 1308 of the method 1300 of 13 , in which the position of the main image point on the viewing plane is defined - for example its coordinates ( x-sensor , y-sensor , z-sensor ) -, the subsequent steps of method 13 from 13 be continued and additionally, for example in parallel or at a later point in time, a further series of steps as follows are carried out for at least one value of DB. In summary, the improved method 1400 of 14 , how many bounces 'B + ΔB' a ghost ray would have traversed from the coordinates [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] of the virtual point to form a ghost pixel in the viewing plane. Then the improved method 1400 determines a shifted (or changed) location of the virtual point from which the light could propagate and suffer "B + ΔB" bounces within the waveguide to go to the main pixel in the viewing plane, rather than a separate one to form a ghost dot. A location on the LCOS through which a light beam travels from the translated virtual point location to the main pixel can then be identified and appropriately encoded with a hologram. In this way, one or more additional areas of the LCOS (other than the primary contribution area) can be encoded with hologram values to contribute to the main image while avoiding ghosting.

Im Einzelnen sieht das verbesserte Verfahren 1400 wie folgt aus:

  • In einem ersten weiteren Schritt 1402 werden Lichtstrahlen vom Hauptbildpunkt (xsensor, ysensor, zsensor) zum virtuellen Bild zurückverfolgt, allerdings für Lichtstrahlen, die im Wellenleiter „B + ΔB“-Rückpralle/Reflexionen (statt B-Rückpralle) durchlaufen.
In detail, the improved method 1400 looks like this:
  • In a first further step 1402, light rays from the main pixel ( xsensor , ysensor , zsensor ) are traced back to the virtual image, but for light rays that pass through "B + ΔB" bounces/reflections (instead of B bounces) in the waveguide.

In einem zweiten weiteren Schritt 1404 wird der Ort - z.B. die Koordinaten [xvirtual(ΔB), yvirtual(ΔB), zvirtual(ΔB)] - bestimmt (z.B., als Ergebnis der Strahlenverfolgung, die im ersten weiteren Schritt 1402 durchgeführt wurde), eines sekundären virtuellen Punktes des virtuellen Bildes, der auf den Hauptbildpunkt [xsensor, ysensor, zsensor] abgebildet würde - d.h., der Licht ausbreiten würde, das sich durch die Anzeigevorrichtung, den Wellenleiter und die Eintrittsöffnung ausbreiten würde, um mit der Betrachtungsebene am Ort [xsensor, ysensor, zsensor] zusammenzufallen - wenn das Licht „B + ΔB“ Reflexionen durchlaufen würde. Der Begriff „sekundärer virtueller Punkt“ wird hier als Abkürzung für einen sekundären (d. h. einen verschobenen oder geänderten) Ort des (primären) virtuellen Punktes verwendet. Das heißt, die Erfinder haben erkannt, dass, wenn der Ort des virtuellen Punktes zum Ort des „sekundären virtuellen Punktes“ [xvirtuell(ΔB), yvirtuell(ΔB), zvirtuell(ΔB)] verschoben wird, jedes Licht vom „sekundären virtuellen Punkt“, das im Wellenleiter „B + ΔB“-Reflexionen ausgesetzt ist, zum Hauptbild in der Betrachtungsebene beitragen würde.In a second further step 1404 the location - eg the coordinates [ xvirtual (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual (ΔB)] - is determined (eg, as a result of the ray tracing performed in the first further step 1402), a secondary virtual point of the virtual image that would be mapped onto the main pixel [ xsensor , ysensor , zsensor ] - i.e., which would propagate light propagating through the display device, waveguide and entrance aperture to coincide with the viewing plane at location [ xsensor , ysensor , zsensor ] to coincide - if the light “B + ΔB” were to go through reflections. The term "secondary virtual point" is used herein as an abbreviation for a secondary (ie, moved or changed) location of the (primary) virtual point. That is, the inventors realized that when the location of the virtual point is shifted to the location of the "secondary virtual point" [ xvirtual (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual (ΔB)], each light from the "secondary virtual point ', which is subject to 'B + ΔB' reflections in the waveguide, would contribute to the main image in the viewing plane.

Zusammengefasst umfasst ein dritter weiterer Schritt 1406 die Bestimmung der Koordinaten [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS ] eines Hauptstrahls an der Anzeigevorrichtung für die Lichtausbreitung von [xvirtual(ΔB)p yvirtual(ΔB), zvirtual] zur Betrachtungsebene für B+DB-Prallungen innerhalb des Wellenleiters. In einigen Fällen kann zvirtual angepasst werden, um der unterschiedlichen Weglänge durch den Hohlleiter Rechnung zu tragen (d. h. aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Bounces. Dieser Hauptstrahl kann als „sekundärer Hauptstrahl“ bezeichnet werden.In summary, a third further step 1406 comprises determining the coordinates [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS ] of a principal ray at the display device for the light propagation of [ xvirtual (ΔB) p yvirtual (ΔB) , zvirtual ] to the viewing plane for B+DB impingements within the waveguide. In some cases, zvirtual can be adjusted to account for the different path length through the waveguide (i.e. due to the different number of bounces. This main beam can be referred to as the "secondary main beam".

Genauer gesagt wird im dritten weiteren Schritt 1406 ein Punkt auf dem Anzeigegerät identifiziert, an dem der „sekundäre Hauptstrahl“ vom sekundären virtuellen Punkt zum Hauptbildpunkt [xsensor, ysensor, zsensor] bei B + ΔB im Wellenleiter über diesen Punkt laufen würde. Dieser Punkt auf dem Anzeigegerät hat die Koordinaten [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS ].More specifically, in the third further step 1406, a point is identified on the display device where the "secondary principal ray" would pass from the secondary virtual point to the principal pixel [ xsensor , ysensor , zsensor ] at B + ΔB in the waveguide via that point. This point on the display device has the coordinates [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS ].

In einem vierten zusätzlichen Schritt 1408 wird dem Punkt [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS ] ein Radius oder ein anderer geeigneter Indikator für die Ausdehnung oder Größe eines damit verbundenen Gebiets zugewiesen. Der dem Punkt [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS ] zugeordnete Bereich wird hier als „zusätzlicher Bereich“ bezeichnet, weil er Licht ausbreitet, das zum Hauptbildpunkt in der Betrachtungsebene beiträgt, aber nur, wenn dieses Licht von einem verschobenen oder geänderten Ort des (primären) virtuellen Punkts ausgeht, d. h., [xvirtuell(ΔB), yvirtuell(ΔB), zvirtuell] und nicht [xvirtuell, yvirtuell, zvirtuell], wie im zweiten weiteren Schritt 1404 ermittelt.In a fourth additional step 1408, the point [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS ] is assigned a radius or other suitable indicator of the extent or size of a region connected thereto. The area associated with the [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS ] point is referred to herein as the “extra area”. net because it propagates light that contributes to the main pixel in the viewing plane, but only if that light emanates from a shifted or changed location of the (primary) virtual point, ie, [ xvirtual (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual ] and not [ xvirtual , yvirtual , zvirtual ] as determined in the second further step 1404 .

Der vierte weitere Schritt 1408 ist ähnlich wie der sechste Schritt 1312. Insbesondere umfasst der vierte weitere Schritt 1408 die Identifizierung eines Bereichs der Anzeigevorrichtung, der mit dem Schnittpunkt der Anzeigevorrichtung [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS (B)] verbunden ist. Die Fläche der Anzeigevorrichtung kann geometrisch auf diesen Punkt zentriert sein [xLCOS (B+ΔB), yLCOS (B+ΔB), zLCOS (B)]. Die Fläche kann zum Beispiel ein Kreis oder eine Ellipse sein, aber auch andere, komplexere Formen sind denkbar. Handelt es sich bei der Fläche um eine regelmäßige Form wie einen Kreis oder eine Ellipse, so kann der Radius der Fläche bestimmt werden, z. B. in Abhängigkeit von der Blendenzahl des Objektivs des Betrachtungssystems. Die Fläche wird hier als „zusätzliche beitragende Fläche“ bezeichnet, weil sie Licht ausbreitet, das zum virtuellen Bild beiträgt, wenn ein entsprechendes Hologramm auf der Grundlage des verschobenen oder geänderten Standorts des (primären) virtuellen Punkts berechnet wird.The fourth further step 1408 is similar to the sixth step 1312. In particular, the fourth further step 1408 includes identifying a region of the display device that coincides with the intersection point of the display device [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS (B)] is connected. The face of the display device can be geometrically centered on this point [x LCOS (B+ΔB), y LCOS (B+ΔB), z LCOS (B)]. The area can be a circle or an ellipse, for example, but other, more complex shapes are also conceivable. If the area is a regular shape such as a circle or an ellipse, the radius of the area can be specified, e.g. B. depending on the f-number of the lens of the viewing system. The surface is referred to here as "additional contributing surface" because it propagates light that contributes to the virtual image when a corresponding hologram is computed based on the shifted or changed location of the (primary) virtual point.

Ein fünfter weiterer Schritt 1410 ist ähnlich wie der siebte Schritt 1314. Der fünfte weitere Schritt 1410 ist optional. In dem fünften weiteren Schritt 1410 wird eine Hologrammkomponente für den zusätzlichen beitragenden Bereich auf der Grundlage der geänderten Position des (primären) virtuellen Punkts [xvirtuell(ΔB),yvirtuell(ΔB),zvirtuell] bestimmt. Konkret werden die Lichtparameter für den zusätzlichen Beitragsbereich bestimmt. Bei den Lichtparametern kann es sich um Amplitude und/oder Phase für jedes Pixel der zusätzlichen Fläche handeln. Beispielsweise können Lichtamplitude und -phase für jedes Pixel innerhalb des zusätzlichen Bereichs auf der Grundlage der Ausbreitung des Lichts von den verschiedenen virtuellen Punkten [xvirtuell(ΔB), yvirtuell(ΔB), zvirtuell] zu dem zusätzlichen Bereich unter Verwendung einer dem Fachmann bekannten Punktwolkenmethode bestimmt werden. Die Hologrammkomponente für den jeweiligen virtuellen Punkt [xvirtueii(ΔB), yvirtuell(ΔB), zvirtuell] kann gespeichert und mit der Hologrammkomponente für die anderen virtuellen Punkte im Rahmen der im folgenden Absatz beschriebenen Iteration kombiniert werden, um ein vollständiges Hologramm für das gesamte virtuelle Bild zu erstellen.A fifth further step 1410 is similar to the seventh step 1314. The fifth further step 1410 is optional. In the fifth further step 1410, a hologram component for the additional contributing region is determined based on the changed position of the (primary) virtual point [ xvirtual (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual ]. Specifically, the light parameters for the additional contribution area are determined. The light parameters can be amplitude and/or phase for each pixel of the additional area. For example, light amplitude and phase for each pixel within the additional area can be determined based on the propagation of the light from the various virtual points [ xvirtual (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual ] to the additional area using a point cloud method known to those skilled in the art become. The hologram component for the respective virtual point [ xvirtueii (ΔB), yvirtual (ΔB), zvirtual ] can be stored and combined with the hologram component for the other virtual points as part of the iteration described in the following paragraph to obtain a complete hologram for the entire virtual to create image.

Diese erforderliche Lichtmodulation, die von der Anzeigevorrichtung in Bezug auf einen einzelnen virtuellen Punkt ausgegeben wird, kann als „Hologrammkomponente“ für diesen virtuellen Punkt bezeichnet werden. Die Hologrammkomponente kann vom Prozessor bei einer späteren Wiederholung des Verfahrens 1300 für einen oder mehrere andere virtuelle Punkte innerhalb des zu erstellenden virtuellen Bildes gespeichert werden.This required modulation of light, which is output by the display device in relation to a single virtual point, can be referred to as the "hologram component" for that virtual point. The hologram component may be stored by the processor at a later iteration of method 1300 for one or more other virtual points within the virtual image to be created.

Die Schritte 1402 bis 1410 des weiter verbesserten Verfahrens 1400 von 14 können zusammen mit den Schritten 1302 bis 1314 des Verfahrens 1300 von 13 für jeden virtuellen Punkt innerhalb eines zu erstellenden virtuellen Bildes wiederholt werden. Wenn das Modulationsverhalten und die entsprechenden Hologrammkomponenten für jeden virtuellen Punkt bestimmt worden sind, können die Hologrammkomponenten addiert werden, um ein resultierendes Modulationsverhalten für jedes Pixel der Anzeigevorrichtung zu erzeugen. Dieses resultierende Modulationsverhalten stellt eine diffraktive Struktur oder ein Hologramm für das virtuelle Bild dar, das, wenn es auf der Anzeigevorrichtung innerhalb des Betrachtungssystems angezeigt und beleuchtet wird, nur zur Bildung eines Hauptbildes und nicht zur Bildung von Geisterbildern führt. Das Hauptbild, das bei der Durchführung des verbesserten Verfahrens 1400 von 14 entstehen würde, kann heller sein als ein entsprechendes Hauptbild, das sich allein aus dem Verfahren 1300 von 13 ergibt.The steps 1402 through 1410 of the further improved method 1400 of FIG 14 along with steps 1302 through 1314 of method 1300 of 13 be repeated for each virtual point within a virtual image to be created. Once the modulation behavior and corresponding hologram components have been determined for each virtual point, the hologram components can be added to produce a resulting modulation behavior for each pixel of the display device. This resulting modulation behavior presents a diffractive structure or hologram for the virtual image which, when displayed and illuminated on the display device within the viewing system, results in only the formation of a main image and no ghost image formation. The main image obtained when performing the improved method 1400 of 14 would result may be brighter than a corresponding main image resulting from method 1300 of 13 results.

Der Prozessor kann Daten, die dem Hologramm entsprechen, auf jede geeignete Weise ausgeben. Das Hologramm kann auf dem Anzeigegerät kodiert werden. Dadurch wird die Anzeigevorrichtung so eingestellt, dass das Licht so moduliert wird, dass das virtuelle Bild vom Betrachter im gewünschten Abstand wahrgenommen werden kann, ohne dass Geisterbilder entstehen.The processor can output data corresponding to the hologram in any suitable manner. The hologram can be encoded on the display device. This adjusts the display device to modulate the light so that the virtual image can be seen by the viewer at the desired distance without ghosting.

Das Verfahren 1400 kann im Wesentlichen gleichzeitig (oder in sehr schneller Abfolge) für jeden einer Vielzahl virtueller Punkte innerhalb eines virtuellen Bildes durchgeführt werden, so dass ein geeignetes Hologramm für das gesamte virtuelle Bild sehr schnell abgeleitet und auf der Anzeigevorrichtung kodiert werden kann, und zwar für eine gegebene Betrachtungseinstellung und für bestimmte numerische Messungen und Beschränkungen. Wenn sich etwas ändert, das die Identifizierung und/oder die erforderliche Einstellung des Anzeigegeräts beeinflussen könnte, kann das Verfahren erneut durchgeführt werden. Der Prozessor kann so konfiguriert sein, dass er das Verfahren in einer zeitgesteuerten Schleife und/oder als Reaktion auf ein Signal, das anzeigt, dass eine Änderung eingetreten ist, und/oder wenn sich der Inhalt oder die Identität des erforderlichen virtuellen Bildes ändert, erneut durchführt. Der Prozessor kann einen Speicher enthalten oder mit diesem in Verbindung stehen, um zuvor berechnete Daten zu speichern. Beispielsweise kann eine Nachschlagetabelle oder ein anderes Speichermittel vorgesehen sein, das den/die aktiven Bereich(e) des Anzeigegeräts für ein bestimmtes virtuelles Bild oder einen bestimmten virtuellen Punkt unter einem bestimmten Satz von Messungen und/oder Beschränkungen angibt.The method 1400 can be performed substantially simultaneously (or in very rapid succession) for each of a plurality of virtual points within a virtual image, such that an appropriate hologram for the entire virtual image can be derived and encoded on the display device very quickly, viz for a given viewing setting and for certain numerical measurements and constraints. If anything changes that could affect the identification and/or the required adjustment of the display device, the procedure can be performed again. The processor may be configured to repeat the method in a timed loop and/or in response to a signal indicating that a change has occurred and/or when the content or identity of the required virtual image changes performs. The processor may include or be in communication with memory to store previously computed data. For example, a lookup table or a other storage means may be provided indicating the active area(s) of the display device for a particular virtual image or virtual point under a particular set of measurements and/or constraints.

Das Verfahren 1400 kann sehr schnell ausgeführt (oder wiederholt) werden, um eine Reihe verschiedener virtueller Bilder in rascher Folge anzuzeigen und/oder genau auf veränderte Bedingungen wie die Bewegung des Benutzers zu reagieren. Obwohl in dem System von 12 nur ein Auge dargestellt ist, kann das Verfahren 1400 so konfiguriert werden, dass es beide Augen des Betrachters berücksichtigt. Auch wenn sich einige der obigen Beschreibungen auf eine Öffnungsweite beziehen, wird man verstehen, dass eine Pupille (und die meisten anderen Öffnungen für Betrachtungseinheiten) zweidimensional ist und ihre Größe in jeder dieser beiden Dimensionen ändern kann. Das Verfahren 1400 kann so konfiguriert werden, dass es die zweidimensionale Größe der Blende und deren Änderungen in Betracht zieht.The method 1400 can be executed (or repeated) very quickly to display a series of different virtual images in rapid succession and/or to accurately respond to changing conditions such as user movement. Although in the system of 12 only one eye is shown, the method 1400 can be configured to consider both eyes of the viewer. Although some of the above descriptions refer to an aperture size, it will be understood that a pupil (and most other scope apertures) is two-dimensional and can change size in either of these two dimensions. The method 1400 can be configured to take into account the two-dimensional size of the aperture and changes therein.

Hologrammberechnung - Beispiel 2Hologram calculation - example 2

Die in den 13 und 14 dargestellten Verfahren umfassen Methoden zur Berechnung von Punktwolkenhologrammen, aber die Erkenntnisse der Erfinder erstrecken sich auf die Berechnung von Hologrammen nach jeder geeigneten Methode, einschließlich Fresnel- und Fourier-Hologramm-Berechnungsverfahren. Mit anderen Worten, die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass ein Hologramm auf eine von mehreren möglichen Arten berechnet und auf einem relativ kleinen Anzeigegerät angezeigt werden kann, das sich in einem relativ großen Abstand zum Betrachter befindet, wobei ein Wellenleiter in geeigneter Weise zwischen dem Anzeigegerät und dem Betrachter angeordnet ist, damit der Betrachter ein virtuelles Bild in einem endlichen Abstand vor dem Anzeigegerät ohne Geisterbilder sieht. Dies kann auch dadurch geschehen, dass das Licht des Hologramms direkt auf das Auge des Betrachters projiziert wird, ohne dass eine holografische Zwischenrekonstruktion entsteht.The in the 13 and 14 The methods illustrated include methods for computing point cloud holograms, but the inventors' discoveries extend to computing holograms by any suitable method, including Fresnel and Fourier hologram computation methods. In other words, the present inventors have recognized that a hologram can be computed and displayed on a relatively small display device located at a relatively large distance from the viewer in one of several possible ways, with a waveguide suitably between the display device and the viewer is arranged so that the viewer sees a virtual image at a finite distance in front of the display device without ghosting. This can also be done by projecting the light of the hologram directly onto the viewer's eye without creating an intermediate holographic reconstruction.

Zum Beispiel haben die Erfinder eine Methode zur Berechnung von Hologrammen für das in 15 gezeigte optische System entwickelt. Wichtig ist, dass das Anzeigegerät relativ klein ist und der Projektionsabstand relativ groß ist. Das Hologramm wird direkt auf das Betrachtungssystem projiziert, und das Verfahren kann in Echtzeit durchgeführt werden. Wie bei den in den 6A ff. gezeigten Anordnungen erfordern die relativ geringe Größe des Anzeigegeräts und der relativ große Projektionsabstand einen Pupillenerweiterer. Das Verfahren berücksichtigt die unterschiedlichen Wege durch den Pupillenerweiterer und die Größe und Form der Eintrittsöffnung(en) des Betrachtungssystems. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren, dass der Bildinhalt in unterschiedlichen Entfernungen vom Betrachtungssystem und/oder in mehreren Entfernungen, gegebenenfalls auch gleichzeitig, erscheint - z. B. mit einem Hologramm. Das Verfahren ermöglicht es, dass der Bildinhalt stromabwärts der Anzeigevorrichtung und stromaufwärts der Anzeigevorrichtung erscheint, optional gleichzeitig - z. B. unter Verwendung eines Hologramms.For example, the inventors have developed a method for calculating holograms for the in 15 developed optical system shown. It is important that the display device is relatively small and the projection distance is relatively large. The hologram is projected directly onto the viewing system and the process can be performed in real time. As with the in the 6A ff. Arrangements shown require the relatively small size of the display device and the relatively large projection distance a pupil dilator. The method takes into account the different paths through the pupil dilator and the size and shape of the entrance aperture(s) of the viewing system. In addition, the method allows the image content to appear at different distances from the viewing system and/or at a plurality of distances, possibly also simultaneously - e.g. B. with a hologram. The method allows the image content to appear downstream of the display device and upstream of the display device, optionally simultaneously - e.g. B. using a hologram.

15 zeigt einen räumlichen Lichtmodulator 1501, mit dem ein Hologramm eines Bildes angezeigt werden kann. In dieser Ausführungsform ist der räumliche Lichtmodulator 1501 eine Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung, die so angeordnet ist, dass sie die Phase des empfangenen Lichts moduliert. Der räumliche Lichtmodulator 1501 wird mit zumindest teilweise kohärentem Licht von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) beleuchtet. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine Laserdiode handeln. Der räumliche Lichtmodulator 1501 gibt Licht aus, das in Übereinstimmung mit dem Anzeigehologramm räumlich moduliert ist. 15 zeigt beispielhaft einen Lichtstrahl 1502 des räumlich modulierten Lichts. Es wird deutlich, dass der räumliche Lichtmodulator 1501 in der Regel mehrere Strahlen räumlich modulierten Lichts ausgibt. Das räumlich modulierte Licht wird von einem Pupillenexpander 1503 empfangen. Der Pupillenexpander 1503 ist gegenüber der Ebene der Anzeigevorrichtung 1501 geneigt. Der Pupillenexpander 1503 empfängt daher Licht mit nicht normalem Einfallswinkel. Der Einfallswinkel (der Winkel, den die optische Achse mit dem Pupillenerweiterer bildet) kann weniger als 25 Grad betragen, beispielsweise 10 bis 20 Grad. Der Pupillenexpander umfasst eine Eingangsfläche 1503a, die das räumlich modulierte Licht empfängt, und eine Ausgangsfläche 703b. Die Eingangsfläche 1503a und die Ausgangsfläche 1503b sind im Wesentlichen parallel und in Richtung der Pupillenerweiterung langgestreckt. Die Eingangsfläche 1503a umfasst mindestens einen Teil, der im Wesentlichen voll reflektierend ist (z. B. R = 1). Die Ausgangsfläche 1503b umfasst mindestens einen Teil, der stark reflektierend, aber teilweise durchlässig ist (z. B. R = 0,9 und T = 0,1). Die reflektierenden Oberflächen sind so angeordnet, dass räumlich moduliertes Licht zwischen ihnen hin- und herprallt und Licht an einer Vielzahl von Punkten entlang der Ausgangsfläche 1503b emittiert wird, wie oben unter Bezugnahme auf den Wellenleiter 608 in 6A beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der Pupillenexpander im Wesentlichen länglich. Der Pupillenexpander sorgt für eine Pupillenerweiterung in einer Richtung - nämlich in der Längsrichtung -, doch kann die vorliegende Offenbarung um das Vorhandensein eines zweiten Pupillenexpanders erweitert werden, der so angeordnet ist, dass er die Pupille in einer orthogonalen Richtung erweitert. 15 Figure 15 shows a spatial light modulator 1501 capable of displaying a hologram of an image. In this embodiment, the spatial light modulator 1501 is a liquid crystal-on-silicon device arranged to modulate the phase of the received light. Spatial light modulator 1501 is illuminated with at least partially coherent light from a light source (not shown). The light source can be a laser diode. The spatial light modulator 1501 outputs light spatially modulated in accordance with the display hologram. 15 FIG. 15 shows an exemplary light beam 1502 of the spatially modulated light. It can be seen that the spatial light modulator 1501 typically outputs multiple beams of spatially modulated light. The spatially modulated light is received by a pupil expander 1503 . The pupil expander 1503 is inclined with respect to the plane of the display device 1501 . The pupil expander 1503 therefore receives light with an abnormal angle of incidence. The angle of incidence (the angle that the optical axis makes with the pupil dilator) can be less than 25 degrees, for example 10 to 20 degrees. The pupil expander includes an entrance surface 1503a receiving the spatially modulated light and an exit surface 703b. The entrance surface 1503a and the exit surface 1503b are substantially parallel and elongated in the direction of pupillary dilation. The input surface 1503a includes at least a portion that is substantially fully reflective (e.g., R=1). The output surface 1503b includes at least a portion that is highly reflective but partially transmissive (e.g., R=0.9 and T=0.1). The reflective surfaces are arranged so that spatially modulated light bounces back and forth between them and light is emitted at a plurality of points along the output surface 1503b, as discussed above with reference to the waveguide 608 in FIG 6A described. In this embodiment, the pupil expander is essentially elongate. The pupil expander provides pupil dilation in one direction - longitudinally - but the present disclosure can be expanded to include the presence of a second pupil expander arranged to dilate the pupil in an orthogonal direction.

15 zeigt, wie der Lichtstrahl 1502 effektiv zweimal repliziert wurde, um drei Ausbreitungspfade 1505 zu bilden, die jeweils mit einem anderen Abstand verbunden sind: Z0, Z1 und Z2. Der kürzeste Ausbreitungspfad entspricht Z0 und in diesem Beispiel dem Licht, das den Wellenleiter ohne interne Reflexionen durchlaufen hat. Der mittlere der drei dargestellten Ausbreitungswege entspricht Z1 und zwei internen Reflexionen im Pupillenexpander (eine an jeder Oberfläche). Der längste Ausbreitungsweg entspricht Z2 und vier internen Reflexionen in der Pupillenerweiterung (zwei an jeder Oberfläche). Die Ebenen x0, x1 und x2 zeigen die räumliche Ausdehnung des Lichtfeldes, das mit jedem der drei Ausbreitungswege Z0, Z1 bzw. Z2 verbunden ist. Genauer gesagt zeigt 15, wie die drei Ebenen x0, x1 und x2 in der x-Richtung gegeneinander versetzt sind 15 Figure 12 shows how light ray 1502 was effectively replicated twice to form three propagation paths 1505, each connected at a different distance: Z 0 , Z 1 and Z 2 . The shortest propagation path corresponds to Z 0 and in this example the light that has passed through the waveguide without internal reflections. The middle of the three propagation paths shown corresponds to Z 1 and two internal reflections in the pupil expander (one on each surface). The longest propagation path corresponds to Z 2 and four internal reflections in the pupillary dilation (two on each surface). Planes x 0 , x 1 and x 2 show the spatial extent of the light field associated with each of the three propagation paths Z 0 , Z 1 and Z 2 , respectively. More precisely shows 15 , how the three planes x 0 , x 1 and x 2 are offset from each other in the x-direction

15 zeigt ferner ein Betrachtungssystem 1513 mit einer Eintrittspupille 1507, einer Linse 1509 und einem Lichtsensor 1511. In Ausführungsformen ist das Betrachtungssystem 1513 ein menschliches Auge und der Lichtsensor 1511 die Netzhaut des Auges. 15 zeigt, wie nur ein Teil des zu jedem Ausbreitungspfad gehörenden Lichtfeldes durch den Eingang 1507 gelangt. 15 zeigt, wie der Lichtstrahl, der dem Zentrum des Ausbreitungsweges in mittlerer Entfernung zugeordnet ist, durch das Zentrum der Eintrittspupille 1507 verläuft. Der Lichtstrahl, der der Mitte des Lichtfeldes des kürzesten Ausbreitungsweges zugeordnet ist, wird jedoch beispielsweise durch einen oberen Teil der Öffnung 1507 blockiert. Andere Lichtstrahlen, die dem Lichtfeld mit dem kürzesten Ausbreitungsweg zugeordnet sind, können jedoch durch die Blende 1507 hindurchtreten. Der Lichtstrahl, der der Mitte des Lichtfeldes des längsten Ausbreitungsweges zugeordnet ist, wird durch einen unteren Teil der Blende 1507 blockiert. Andere Lichtstrahlen, die dem Lichtfeld des längsten Ausbreitungsweges zugeordnet sind, können jedoch ebenfalls durch die Blende 15807 hindurchtreten. 15 15 further shows a viewing system 1513 having an entrance pupil 1507, a lens 1509, and a light sensor 1511. In embodiments, the viewing system 1513 is a human eye and the light sensor 1511 is the retina of the eye. 15 shows how only part of the light field associated with each propagation path passes through the entrance 1507. 15 15 shows how the light ray associated with the center of the propagation path at the middle distance passes through the center of the entrance pupil 1507. FIG. However, the light beam associated with the center of the light field of the shortest propagation path is blocked by an upper part of the opening 1507, for example. However, other light rays associated with the light field having the shortest propagation path can pass through the aperture 1507 . The light beam associated with the center of the light field of the longest propagation path is blocked by a lower part of the aperture 1507 . However, other light rays associated with the longest propagation path light field may also pass through the aperture 15807 .

Das durch die Öffnung 1507 einfallende Licht wird durch die Linse 1509 auf den Lichtsensor 1511 fokussiert. Die Ebene des Lichtsensors 1511 verläuft im Wesentlichen parallel zur Ebene der Anzeigevorrichtung 1501 und ist daher auch gegenüber der länglichen Abmessung der Pupillenerweiterung 1503 geneigt. The light incident through the opening 1507 is focused by the lens 1509 onto the light sensor 1511 . The plane of the light sensor 1511 is essentially parallel to the plane of the display device 1501 and is therefore also inclined with respect to the longitudinal dimension of the pupil dilation 1503 .

15 zeigt beispielhaft drei mögliche Lichtausbreitungswege eines einzelnen Strahls 1502 mit räumlich moduliertem Licht. Die vorliegende Offenbarung ist nicht durch die Anzahl der Ausbreitungswege begrenzt. Wie der Fachmann aus der folgenden Beschreibung ersehen wird, kann das Verfahren so erweitert werden, dass eine beliebige Anzahl von Lichtausbreitungswegen berücksichtigt werden kann. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass der Pupillenexpander relativ zur Anzeige- und Sensorebene geneigt ist. Mit dem Verfahren, das im Folgenden in Bezug auf 16 beschrieben wird, kann ein geeignetes Hologramm berechnet werden, um sicherzustellen, dass das räumlich modulierte Licht das Auge des Betrachters korrekt erreicht, und zwar für eine Reihe verschiedener Pupillenexpandereinstellungen und für eine beliebige Anzahl von Lichtreflexionen innerhalb des Pupillenexpanders und damit für eine beliebige Anzahl von Lichtausbreitungswegen. Wichtig ist, dass es die Größe und Form der Eintrittsöffnung eines Betrachtungssystems berücksichtigt, damit das gesamte erforderliche Licht eines Bildes den Betrachter erreicht. 15 FIG. 15 shows, by way of example, three possible light propagation paths of a single beam 1502 of spatially modulated light. The present disclosure is not limited by the number of propagation paths. As those skilled in the art will appreciate from the following description, the method can be extended to accommodate any number of light propagation paths. Likewise, it is not necessary for the pupil expander to be tilted relative to the display and sensor plane. Using the procedure referred to below 16 , an appropriate hologram can be calculated to ensure that the spatially modulated light reaches the viewer's eye correctly for a range of different pupil expander settings and for any number of light reflections within the pupil expander and hence for any number of light propagation paths . Importantly, it takes into account the size and shape of the entrance aperture of a viewing system so that all the light required from an image reaches the viewer.

16 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte des Verfahrens zeigt. Das Verfahren ähnelt einem Algorithmus vom Typ Gerchberg-Saxton, der mathematische Transformationen zwischen der Bildebene und dem Hologramm verwendet, um auf ein Phasenhologramm zu konvergieren, das dem Bild entspricht, das ein virtuelles Bild sein kann und das in einem endlichen Abstand vor dem räumlichen Lichtmodulator 1501 gebildet werden kann. Die Amplitudenkomponente des Lichtfelds wird nach jeder Ausbreitung in die Bildebene oder Hologrammebene verändert oder eingeschränkt, die Phasenkomponente bleibt jedoch erhalten. 16 Figure 12 is a flow chart showing the steps of the method. The process is similar to a Gerchberg-Saxton-type algorithm that uses mathematical transformations between the image plane and the hologram to converge on a phase hologram corresponding to the image, which can be a virtual image, at a finite distance in front of the spatial light modulator 1501 can be formed. The amplitude component of the light field is modified or limited after each propagation into the image plane or hologram plane, but the phase component is preserved.

Eine nullte Stufe des Verfahrens umfasst die Schritte 1602 und 1604. Die nullte Stufe umfasst die Bildung eines nullten komplexen Lichtfeldes. Schritt 1602 liefert einen zufälligen Phasen-Seeds, der die Phasenkomponente des nullten komplexen Lichtfeldes bildet. Schritt 1604 liefert die Amplitudenkomponente des nullten komplexen Lichtfeldes. Die Amplitudenkomponente kann eine Einheit oder eine Amplitudenverteilung sein, die für das Licht einer Lichtquelle repräsentativ ist, die zur Rekonstruktion des Bildes aus dem Hologramm verwendet wird.A zeroth stage of the method includes steps 1602 and 1604. The zeroth stage involves forming a zeroth complex light field. Step 1602 provides a random phase seed that forms the phase component of the zeroth complex light field. Step 1604 provides the amplitude component of the zeroth complex light field. The amplitude component can be a unit or an amplitude distribution representative of the light from a light source used to reconstruct the image from the hologram.

In Schritt 1606 wird das nullte komplexe Lichtfeld vom räumlichen Lichtmodulator 1501 (d. h. von der Hologrammebene) zur Eintrittspupille 1507 des Betrachtungssystems 713 (genauer gesagt zu der Ebene, die die Eintrittspupille 1507 des Betrachtungssystems 713 enthält) nach Fresnel propagiert. Auch diese Ausführungsform bezieht sich auf die Fresnel-Ausbreitung als nur ein Beispiel für eine Reihe von verschiedenen mathematischen Transformationen, die verwendet werden können, ohne vom Geist oder Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Schritt 1606 wird für jede Anzahl von Bounces oder internen Reflexionen durchgeführt, die von der Pupillenerweiterung 1503 bereitgestellt werden, um ein komplexes Lichtfeld in Bezug auf jeden Lichtausbreitungsweg zu bilden. In Schritt 1606 werden die seitliche Lage des komplexen Lichtfelds in x-Richtung in der Ebene der Eintrittspupille 1507 und die Phasenverschiebungen bei jeder Reflexion innerhalb des Pupillenerweiterers 1503 berücksichtigt. Die verschiedenen komplexen Lichtfelder können z. B. durch Addition kombiniert werden. Die erste Stufe umfasst ferner den Schritt 1608, in dem das kombinierte komplexe Lichtfeld entsprechend der Größe und Form der Eintrittspupille 1507 beschnitten wird, um das erste komplexe Lichtfeld an der Eintrittspupille 1507 zu bilden.In step 1606, the zeroth complex light field is propagated from the spatial light modulator 1501 (ie, from the hologram plane) to the entrance pupil 1507 of the viewing system 713 (more specifically, to the plane containing the entrance pupil 1507 of the viewing system 713) according to Fresnel. Again, this embodiment refers to Fresnel propagation as just one example of a number of different mathematical transformations that can be used without departing from the spirit or scope of this disclosure. Step 1606 is performed for each number of bounces or internal reflections provided by the pupil dilation 1503 to form a complex field of light with respect to each light propagation path. In step 1606, the lateral position of the complex light field in the x-direction in the plane of the entrance pupil 1507 and the Phase shifts at each reflection within the pupil dilator 1503 are taken into account. The various complex light fields can e.g. B. be combined by addition. The first stage further includes step 1608 in which the combined complex light field is cropped according to the size and shape of the entrance pupil 1507 to form the first complex light field at the entrance pupil 1507 .

Eine zweite Stufe des Verfahrens umfasst die Schritte 1610 und 1612. In Schritt 1610 wird ein zweites komplexes Lichtfeld bestimmt, indem das erste komplexe Lichtfeld von der Eintrittspupille durch die Linse 1509 und in die Ebene des Lichtsensors 711 propagiert wird. Schritt 1612 umfasst die Änderung der Amplitudenkomponente des komplexen Lichtfelds, das am Lichtsensor 711 ankommt. Genauer gesagt, umfasst Schritt 1612 das Ersetzen der Amplitudenkomponente des komplexen Lichtfeldes durch die Amplitudenkomponente des Zielbildes oder eine Amplitudenkomponente, die auf der des Zielbildes basiert, wie beispielsweise eine gewichtete Version der Amplitudenkomponente des Zielbildes. Die Position der Linse 1509, die bei der Ausbreitung verwendet wird, bestimmt den Bildabstand, d. h. den Raum, in dem der Bildinhalt erscheinen wird. In einigen Ausführungsformen ist das Bild ein virtuelles Bild und dieser Abstand kann als virtueller Bildabstand „VID“ bezeichnet werden.A second stage of the method includes steps 1610 and 1612. In step 1610, a second complex light field is determined by propagating the first complex light field from the entrance pupil through lens 1509 and into the light sensor 711 plane. Step 1612 involves changing the amplitude component of the complex light field arriving at the light sensor 711 . More specifically, step 1612 includes replacing the amplitude component of the complex light field with the amplitude component of the target image or an amplitude component based on that of the target image, such as a weighted version of the amplitude component of the target image. The position of the lens 1509 used in propagation determines the image distance, i. H. the space in which the image content will appear. In some embodiments, the image is a virtual image and this distance may be referred to as the virtual image distance "VID".

Vorteilhafterweise ermöglicht das hierin offenbarte Verfahren die Erzeugung von Bildinhalten in einer Vielzahl von unterschiedlichen Bildabständen - z. B. mehrere VIDs - unter Verwendung desselben Hologramms. Die Erfinder haben festgestellt, dass dies dadurch erreicht werden kann, dass die zweite Stufe für jeden Bildabstand wiederholt wird, indem unterschiedliche Positionen der Linse 1509 in z-Richtung berücksichtigt werden. Die auf diese Weise für jeden Bildabstand ermittelten komplexen Lichtfelder können z. B. durch Addition kombiniert werden.Advantageously, the method disclosed herein allows image content to be generated at a variety of different image spacings - e.g. B. multiple VIDs - using the same hologram. The inventors have found that this can be achieved by repeating the second stage for each image distance by considering different positions of the lens 1509 in the z-direction. The complex light fields determined in this way for each image distance can e.g. B. be combined by addition.

Eine dritte Stufe des Verfahrens umfasst den Schritt 1614, in dem das zweite komplexe Lichtfeld über die Linse 1509 zurück zur Eintrittspupille 1507 propagiert wird. Dies kann als umgekehrte Ausbreitung bezeichnet werden, um zu verdeutlichen, dass sich das Licht in die entgegengesetzte z-Richtung bewegt. In einigen Ausführungsformen ist die umgekehrte Ausbreitung eine mathematische Umkehrung der entsprechenden „Vorwärts“-Ausbreitung. Die dritte Stufe umfasst auch das Zuschneiden des propagierten Lichtfeldes entsprechend der Größe und Form der Eintrittspupille 1507, um das dritte komplexe Lichtfeld zu bilden.A third stage of the method includes the step 1614 in which the second complex light field is propagated via the lens 1509 back to the entrance pupil 1507 . This can be called reverse propagation to make it clear that the light is traveling in the opposite z-direction. In some embodiments, the reverse propagation is a mathematical inverse of the corresponding "forward" propagation. The third stage also includes cropping the propagated light field according to the size and shape of the entrance pupil 1507 to form the third complex light field.

Eine vierte Stufe umfasst die Schritte 1616 und 1618. In Schritt 1616 wird das Licht über die mehreren Lichtausbreitungspfade des Pupillenexpanders zurück in die Ebene des räumlichen Lichtmodulators 1502 propagiert, wie oben in Bezug auf die erste Stufe beschrieben - aber natürlich in der entgegengesetzten Lichtrichtung (d. h. eine „umgekehrte“ Propagation). Schritt 1618 umfasst das Zuschneiden des propagierten Lichtfelds entsprechend der Größe und Position des aktiven/Pixelbereichs der Anzeigevorrichtung. Die Anzahl der komplexen Werte jedes komplexen Lichtfeldes kann gleich oder kleiner sein als die Anzahl der Pixel des Anzeigegeräts.A fourth stage includes steps 1616 and 1618. In step 1616, the light is propagated back into the plane of the spatial light modulator 1502 via the multiple light propagation paths of the pupil expander, as described above in relation to the first stage - but of course in the opposite light direction (i.e. a "reverse" propagation). Step 1618 includes cropping the propagated light field according to the size and position of the active/pixel area of the display device. The number of complex values of each complex light field can be equal to or less than the number of pixels of the display device.

Schritt 1620 umfasst die Extraktion des Hologramms aus dem vierten komplexen Lichtfeld. Das Hologramm kann die Phasenwerte des vierten komplexen Lichtfeldes umfassen, in diesem Fall kann das Hologramm als Kinoform bezeichnet werden. Das Verfahren kann auch in der Bildebene (d. h. in der dritten Stufe) beginnen. In Übereinstimmung mit dieser Offenbarung ist mindestens eine Iteration jeder Stufe erforderlich. Die 17A und 17B beschreiben das nach diesem Verfahren und nach den Verfahren der 13 und 14 hergestellte Hologramm.Step 1620 includes extracting the hologram from the fourth complex light field. The hologram can include the phase values of the fourth complex light field, in which case the hologram can be referred to as a kinoform. The process can also start in the image plane (ie in the third stage). In accordance with this disclosure, at least one iteration of each stage is required. The 17A and 17B describe the according to this procedure and according to the procedures of 13 and 14 manufactured hologram.

Kanalisierendes HologrammChanneling hologram

Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Hologramm (oder eine „Kinoform“ oder eine „diffraktive Struktur“), das nach der vorliegenden Offenbarung berechnet wird, unabhängig von der Methode, mit der es berechnet wird, einzigartige Eigenschaften aufweist, die mit herkömmlichen Methoden der Hologrammberechnung nicht beobachtbar oder erreichbar sind.The inventors have found that a hologram (or a "kinoform" or a "diffractive structure") calculated according to the present disclosure, regardless of the method by which it is calculated, has unique properties that cannot be achieved with conventional methods in the art hologram calculation are not observable or reachable.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Hologramm, das gemäß der vorliegenden Offenbarung berechnet wird, es einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise einem LCOS, auf dem es angezeigt und beleuchtet wird, ermöglicht, Kanäle mit räumlich moduliertem Licht auszugeben, wobei jeder Kanal jeweils einem anderen Teil des entsprechenden Bildes entspricht. Diese einzigartige Kanalisierung ermöglicht es der Anzeigevorrichtung, in Verbindung mit einer geeigneten Pupillenerweiterung, wie z. B. einem Waveguide, zu arbeiten, damit ein Betrachter das gesamte Bild über die relativ kleine Öffnung seines Auges genau sehen kann, selbst wenn der Betrachtungsabstand relativ groß und die Anzeigevorrichtung relativ klein ist, und ohne dass er sein Auge bewegen muss. So kann beispielsweise ein virtuelles Bild, das sich in einem begrenzten Abstand vor dem Anzeigegerät befindet, in einem relativ großen Abstand (korrekt und vollständig) betrachtet werden, obwohl sowohl die Öffnung des Auges des Betrachters als auch das Anzeigegerät, auf dem das Hologramm angezeigt wird, relativ klein sind. Dies war bisher weder mit herkömmlicher Holografie noch mit nicht-holografischen Techniken möglich.In summary, a hologram computed in accordance with the present disclosure enables a display device, such as an LCOS, on which it is displayed and illuminated to emit channels of spatially modulated light, each channel corresponding to a different portion of the corresponding image. This unique channeling allows the display device, in conjunction with an appropriate pupil dilatation, such as e.g. a waveguide, to allow a viewer to accurately see the entire image through the relatively small opening of his eye, even when the viewing distance is relatively long and the display device is relatively small, and without having to move his eye. For example, a virtual image located at a limited distance in front of the display device can be viewed (correctly and completely) at a relatively large distance, despite the fact that both the opening of the viewer's eye and the display device on which the hologram is displayed , are relatively small. This was not previously possible with either conventional holography or non-holographic techniques.

Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung stellten die Erfinder fest, dass bei der Berechnung des Hologramms mit einer „Punktwolken“-Methode, wie sie oben beschrieben wurde, das Licht von jedem virtuellen Bildpunkt entsprechend einem anderen, entsprechenden primären Beitragsbereich der Anzeigevorrichtung eingeschränkt wird. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass dies bedeutet, dass das Licht von verschiedenen Teilen des virtuellen Bildes (d. h. von verschiedenen virtuellen Bildpunkten) verschiedenen optischen Pfaden durch das System folgt. In ähnlicher Weise haben die Erfinder gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung festgestellt, dass, wenn das Hologramm unter Verwendung der Fresnel-Ausbreitung berechnet wird, wie z. B. durch das in 16 gezeigte Verfahren, räumlich moduliertes (d. h. „holografisches“) Licht, das verschiedenen jeweiligen Teilen des Bildes entspricht, verschiedenen jeweiligen optischen Pfaden folgt. So erkannten die Erfinder, dass das Hologramm (unabhängig davon, wie es berechnet wird) eingesetzt werden kann, um jeden dieser optischen Pfade gleichzeitig auf das Auge des Betrachters zu richten, wodurch der Betrachter das gesamte holografische Licht empfangen kann, das für sein Auge/Gehirn erforderlich ist, um das gesamte Bild zu rekonstruieren, ohne sein(e) Auge(n) zu bewegen oder andere physische Veränderungen vorzunehmen. Wie in den detaillierten Beispielen oben gezeigt, kann ein Wellenleiter oder eine andere Pupillenerweiterung in Verbindung mit einer Anzeigevorrichtung verwendet werden, die das/die berechnete(n) Hologramm(e) anzeigt, um dies zu erreichen.In accordance with one aspect of this disclosure, the inventors found that when the hologram is computed using a "point cloud" method as described above, the light from each virtual pixel is constrained according to a different, corresponding primary contributing area of the display device. The inventors have further recognized that this means that the light from different parts of the virtual image (ie from different virtual pixels) follows different optical paths through the system. Similarly, in accordance with one aspect of this disclosure, the inventors have found that when the hologram is computed using Fresnel propagation, such as e.g. B. through the in 16 In the methods shown, spatially modulated (ie "holographic") light corresponding to different respective parts of the image follows different respective optical paths. Thus, the inventors realized that the hologram (regardless of how it is computed) can be employed to direct each of these optical paths towards the viewer's eye simultaneously, allowing the viewer to receive all of the holographic light that is brain is required to reconstruct the entire image without moving his eye(s) or making other physical changes. As shown in the detailed examples above, a waveguide or other pupil dilation can be used in conjunction with a display device that displays the computed hologram(s) to achieve this.

In einer in den 17A und 17B dargestellten Ausführungsform haben die Erfinder ein optisches System so konfiguriert, dass es ein virtuelles Bild anzeigt, das eine Vielzahl diskreter virtueller Bildkomponenten oder -bereiche umfasst, um das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften von Hologrammen, wie sie hier offenbart werden, zu unterstützen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch gleichermaßen auf die Berechnung und Anzeige von Hologrammen anwendbar, die Bildern mit kontinuierlichem (d.h. nichtdiskretes) Bildinhalt entsprechen, und/oder auf Hologramme von Bildern mit einer beliebigen Anzahl/Größe/Teilung von diskreten Bildteilen. In den 17A und 17B umfasst das virtuelle Bild, vereinfacht ausgedrückt, (i) eine Vielzahl diskreter virtueller Bildkomponenten oder -bereiche und (ii) das Licht jeder virtuellen Bildkomponente ist mit einer unterschiedlichen Anzahl von Rückprallungen/Reflexionen innerhalb des Wellenleiters 1708 verbunden. In einigen anderen Ausführungsformen ist es jedoch möglich, dass das Licht zweier oder mehrerer diskreter virtueller Bildkomponenten innerhalb des Wellenleiters die gleiche Anzahl von Rückprallvorgängen erfährt.In one in the 17A and 17B In the illustrated embodiment, the inventors configured an optical system to display a virtual image that includes a plurality of discrete virtual image components or regions to aid in understanding the unique properties of holograms as disclosed herein. However, the present disclosure is equally applicable to the computation and display of holograms corresponding to images with continuous (ie non-discrete) image content and/or to holograms of images with any number/size/pitch of discrete image parts. In the 17A and 17B Put simply, the virtual image comprises (i) a plurality of discrete virtual image components or regions, and (ii) the light of each virtual image component is associated with a different number of bounces/reflections within the waveguide 1708. However, in some other embodiments, it is possible for the light of two or more discrete virtual image components within the waveguide to experience the same number of bounces.

17A zeigt ein Bild 1752 für die Projektion, das acht diskrete Bildbereiche/Bestandteile, V1 bis V8, umfasst. 17A zeigt nur beispielhaft acht Bildkomponenten; das Bild 1752 kann in eine beliebige Anzahl von Komponenten unterteilt werden. 17A zeigt auch das kodierte Lichtmuster (d. h. das Muster des holografischen Lichts) 1754, das gebildet wird, wenn das (wie hier offenbart berechnete) Hologramm in geeigneter Weise angezeigt und beleuchtet wird. Das kodierte Lichtmuster 1754 kann das Bild 1752 rekonstruieren, wenn es durch die Linse eines geeigneten Betrachtungssystems, z. B. das Auge (die Augen) des Betrachters, transformiert wird. Das kodierte Lichtmuster 1754 umfasst erste bis achte Komponenten oder Kanäle, H1 bis H8, die den ersten bis achten Bildkomponenten/-bereichen, V1 bis V8, entsprechen. Das Hologramm kann also durch die Kanalisierung des holografischen Lichts charakterisiert werden, die es vornimmt. Diese Kanalisierung des Lichts erfolgt aufgrund der Berechnungsweise und ist in 17B dargestellt. Konkret lenkt das Hologramm gemäß dieser Offenbarung das holografische Licht in eine Vielzahl von diskreten Kanälen, die in einer Ebene als diskrete Bereiche ausgebildet sein können. Die diskreten Bereiche sind in dem gezeigten Beispiel Scheiben, aber auch andere Formen sind denkbar. Wie oben beschrieben, wird das Hologramm speziell im Hinblick auf die Größe/Form des Lichtfelds an der Anzeigevorrichtung und/oder die Größe/Form des Lichtfelds an der/den Betrachtungsöffnung(en) berechnet (z. B. zugeschnitten). Daher kann die Größe und Form der optimalen Scheibe mit der Größe und Form der Eintrittspupille des Betrachtungssystems zusammenhängen. 17A Figure 1752 shows an image 1752 for projection comprising eight discrete image areas/components, V1 through V8. 17A shows eight image components by way of example only; the image 1752 can be broken down into any number of components. 17A 17 also shows the encoded light pattern (ie, the pattern of holographic light) 1754 that is formed when the hologram (computed as disclosed herein) is appropriately displayed and illuminated. The encoded light pattern 1754 can reconstruct the image 1752 when viewed through the lens of a suitable viewing system, e.g. B. the eye (eyes) of the viewer is transformed. The encoded light pattern 1754 includes first through eighth components or channels, H1 through H8, corresponding to first through eighth image components/regions, V1 through V8. The hologram can thus be characterized by the channeling of holographic light that it performs. This channeling of the light is due to the way of calculation and is in 17B shown. Specifically, according to this disclosure, the hologram directs the holographic light into a plurality of discrete channels, which may be formed as discrete regions in a plane. The discrete areas are discs in the example shown, but other shapes are also conceivable. As described above, the hologram is calculated (e.g., cropped) specifically with regard to the size/shape of the light field at the display device and/or the size/shape of the light field at the viewing aperture(s). Therefore, the size and shape of the optimal disk may be related to the size and shape of the viewing system's entrance pupil.

Aus der vorliegenden Offenlegung sollte hervorgehen, dass diese Art von Hologramm mit jeder beliebigen Methode berechnet werden kann, und eine zentrale Erkenntnis der Erfinder ist, dass diese Art von Hologramm verwendet werden kann, um ein relativ großes Sichtfeld mit einer relativ kleinen Anzeigevorrichtung zu liefern. Das hier offengelegte Hologrammverhalten ist synergetisch mit einem Hologrammreplikator wie z.B. einem Pupillenerweiterer. Das hier beschriebene holografische System ist besonders synergetisch mit Head-up-Displays.It should be apparent from the present disclosure that this type of hologram can be calculated using any method, and a key finding of the inventors is that this type of hologram can be used to provide a relatively large field of view with a relatively small display device. The hologram behavior disclosed here is synergistic with a hologram replicator such as a pupil dilator. The holographic system described here is particularly synergistic with head-up displays.

Die vom Hologramm ausgegebenen holografischen Lichtkanäle zerlegen den Bildinhalt (des Bildes, das vom Betrachter holografisch rekonstruiert werden soll) effektiv nach Winkeln. Dies kann durch einen Vergleich mit der optischen Anordnung von 4 weiter oben verstanden werden, in der Lichtstrahlenbündel von einer Vielzahl von diskreten Orten auf einem realen Bild 401 unter einer Vielzahl von diskreten entsprechenden Winkeln zur Blende (oder zum Sichtfenster) 402 wandern, aber das Licht von nur einem dieser Bündel kann bei jeder gegebenen Augenposition durch das Auge des Betrachters gelangen. Ein Hologramm, das wie hier beschrieben berechnet und von einem geeigneten Anzeigegerät angezeigt wird, kann ein holografisch rekonstruiertes virtuelles Bild bilden, um das Vorhandensein dieses Bildes 401 (oder eines beliebigen Bildes/Objektes) in einem gewünschten Bildabstand zu imitieren. Ein bemerkenswerter Vorteil gegenüber dem optischen System von 4 und gegenüber herkömmlichen holografischen Systemen ist jedoch, dass das wie hier beschrieben berechnete Hologramm es ermöglicht, dass das gesamte Bild vom Betrachter gesehen oder wahrgenommen werden kann, selbst wenn die Anzeigevorrichtung relativ klein ist und wenn eine Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems, wie z. B. das Auge des Betrachters, relativ klein ist, und wenn der Betrachtungsabstand relativ groß ist. Mit anderen Worten und als nicht einschränkendes Beispiel würde das Hologramm es ermöglichen, dass alle fünf in 4 dargestellten Lichtstrahlenbündel den Betrachter gleichzeitig erreichen und somit das gewünschte virtuelle Bild vollständig bilden.The holographic light channels emitted by the hologram effectively decompose the image content (the image to be holographically reconstructed by the viewer) by angles. This can be compared with the optical arrangement of 4 as understood above, in which light rays come from a plurality of discrete locations on a real image 401 at a plurality of discrete corresponding angles to the aperture (or to the viewing window) 402, but the light from only one of these beams can pass through the viewer's eye at any given eye position. A hologram, computed as described herein and displayed by a suitable display device, can form a holographically reconstructed virtual image to mimic the presence of that image 401 (or any image/object) at a desired image distance. A notable advantage over the optical system of 4 However, and over conventional holographic systems is that the hologram computed as described herein allows the entire image to be seen or perceived by the viewer even when the display device is relatively small and when an entrance aperture of the viewing system, such as e.g. the viewer's eye, is relatively small and when the viewing distance is relatively large. In other words, and as a non-limiting example, the hologram would allow all five in 4 shown light beams reach the viewer at the same time and thus completely form the desired virtual image.

Wichtig ist, dass ein solches Hologramm, wenn es in geeigneter Weise angezeigt und beleuchtet wird, die Anzeigevorrichtung dazu veranlasst, Kanäle aus holografischem Licht auszugeben, wobei jeder Kanal aus holografischem Licht einem Winkel (oder in einigen Fällen einem Bündel von Winkeln) entspricht, unter dem Licht von einem entsprechenden Teil des gewünschten Bildes/Objekts an der Anzeigevorrichtung ankommen würde. Man kann also sagen, dass die Kanäle des holografischen Lichts jeweils verschiedenen Winkelabschnitten des Bildinhalts entsprechen. Dies ist bei herkömmlichen Hologrammen nicht der Fall. Im Gegensatz zum unmodulierten Licht eines realen Bildes/Objektes oder zum räumlich modulierten Licht eines konventionellen Hologramms sind die hier offenbarten holografischen Lichtkanäle speziell so konfiguriert, dass sie durch einen geeigneten Wellenleiter oder einen anderen Pupillenerweiterer, der sich zwischen der Anzeigevorrichtung und dem Betrachter befindet, geführt werden können, um sicherzustellen, dass jeder der Kanäle - und damit das holografische Licht, das jedem (d. h. jedem) Teil des Bildes entspricht - gleichzeitig vom Betrachter empfangen werden kann. Außerdem kann jeder Kanal nur einmal empfangen werden, zumindest in einigen Ausführungsformen.Importantly, such a hologram, when appropriately displayed and illuminated, causes the display device to emit channels of holographic light, each channel of holographic light corresponding to an angle (or in some cases a bundle of angles) at which light would arrive at the display device from a corresponding part of the desired image/object. It can thus be said that the channels of holographic light each correspond to different angular sections of the image content. This is not the case with conventional holograms. In contrast to the unmodulated light of a real image/object or the spatially modulated light of a conventional hologram, the holographic light channels disclosed herein are specifically configured to be guided through a suitable waveguide or other pupil dilator located between the display device and the viewer to ensure that each of the channels - and hence the holographic light corresponding to each (i.e. each) part of the image - can be received simultaneously by the viewer. Also, each channel can only be received once, at least in some embodiments.

17C zeigt ein verbessertes Betrachtungssystem 1700, das den in den 17A und 17B dargestellten Erkennungen entspricht. Das Verfahren 1300 von 13 oder das Verfahren 1400 von 14 oder das Verfahren von 16 oder jedes andere geeignete Verfahren kann zur Berechnung des Hologramms nach dem in den 17A bis 17C dargestellten Schema angewendet werden. 17C shows an improved viewing system 1700 that uses the methods shown in FIGS 17A and 17B matches the detections shown. The procedure 1300 from 13 or the procedure 1400 of 14 or the procedure of 16 or any other suitable method can be used to calculate the hologram according to the 17A until 17C scheme shown can be applied.

Das Betrachtungssystem 1700 umfasst eine Anzeigevorrichtung, die in dieser Anordnung einen LCOS 1702 umfasst. Das LCOS 1702 ist so angeordnet, dass es ein Modulationsmuster (oder „Beugungsmuster“) anzeigt, das das Hologramm umfasst, und Licht, das holografisch kodiert wurde, auf ein Auge 1705 projiziert, das eine Pupille, die als Öffnung 1704 dient, eine Linse 1709 und eine Netzhaut (nicht dargestellt) umfasst, die als Betrachtungsebene dient. Es gibt eine Lichtquelle (nicht dargestellt), die so angeordnet ist, dass sie das LCOS 1702 beleuchtet. Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Laserdiode sein. Das Hologramm ist so konfiguriert, dass das gesamte Hologramm durch einen einzigen Lichtstrahl (oder ein einziges Bündel von Lichtstrahlen) beleuchtet werden kann. Es ist nicht erforderlich, dass mehrere Lichtquellen oder beispielsweise eine Vielzahl von Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen das Hologramm beleuchten, damit es wie hier beschrieben funktioniert.Viewing system 1700 includes a display device, which in this arrangement includes an LCOS 1702 . The LCOS 1702 is arranged to display a modulation pattern (or "diffraction pattern") that includes the hologram and projects light that has been holographically encoded onto an eye 1705 that has a pupil that serves as an aperture 1704, a lens 1709 and a retina (not shown) serving as the viewing plane. There is a light source (not shown) arranged to illuminate the LCOS 1702. The light source can be a laser diode, for example. The hologram is configured so that the entire hologram can be illuminated by a single beam of light (or a single bundle of beams of light). It is not necessary for multiple light sources or, for example, a multitude of light beams, each with different wavelengths, to illuminate the hologram for it to function as described herein.

Die Linse 1709 des Auges 1705 führt eine Umwandlung von Hologramm in Bild durch. Es findet also keine holografische Rekonstruktion des Bildes zwischen dem LCOS und dem Auge 1705 statt.The lens 1709 of the eye 1705 performs hologram to image conversion. So there is no holographic reconstruction of the image between the LCOS and the eye 1705.

Das Betrachtungssystem 1700 umfasst ferner einen Wellenleiter 1708, der zwischen dem LCOS 1702 und dem Auge 1705 angeordnet ist. Der Projektionsabstand in 17C kann relativ groß sein. Wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben, ermöglicht das Vorhandensein des Wellenleiters 1708 jedoch, dass der gesamte Winkelinhalt des LCOS 1702 vom Auge 1705 empfangen werden kann, selbst bei diesem relativ großen Projektionsabstand. Dies liegt daran, dass der Wellenleiter 1708 wie oben beschrieben als Pupillenerweiterung wirkt.The viewing system 1700 further includes a waveguide 1708 disposed between the LCOS 1702 and the eye 1705 . The projection distance in 17C can be relatively large. However, as described in the previous figures, the presence of the waveguide 1708 allows the entire angular content of the LCOS 1702 to be received by the eye 1705, even at this relatively large projection distance. This is because the waveguide 1708 acts as a pupil dilator as described above.

Wenn das LCOS 1702 gemäß den hier offenbarten Verfahren kodiert wurde, kann der Wellenleiter 1708 in dieser Anordnung außerdem in einem Winkel zum LCOS 1702 ausgerichtet werden, um eine eindeutige Beziehung zwischen dem Licht vom LCOS 1702 und dem virtuellen Bild herzustellen, das der Betrachter wahrnehmen wird. Größe, Lage und Position des Wellenleiters 1708 sind so konfiguriert, dass das Licht aus jedem holografischen Kanal - und damit das Licht aus jedem Teil des virtuellen Bildes - in den Wellenleiter 1708 eintritt und entlang seiner Längsachse geführt wird, wobei es zwischen den im Wesentlichen ebenen Oberflächen des Wellenleiters 1708 abprallt. Jedes Mal, wenn das Licht die zweite ebene Fläche (die dem Auge 1705 am nächsten liegt) erreicht, wird ein Teil des Lichts durchgelassen und ein anderer Teil reflektiert.In this arrangement, once the LCOS 1702 has been encoded according to the methods disclosed herein, the waveguide 1708 can also be oriented at an angle to the LCOS 1702 to establish a unique relationship between the light from the LCOS 1702 and the virtual image that the viewer will perceive . The size, location and position of the waveguide 1708 are configured so that the light from each holographic channel - and therefore the light from every part of the virtual image - enters the waveguide 1708 and is guided along its longitudinal axis, passing between the substantially planar Surfaces of the waveguide 1708 bounces off. Each time the light reaches the second flat surface (closest to the eye 1705), it becomes a part of the light is transmitted and another part is reflected.

17C zeigt insgesamt neun „Bounce“-Punkte, B0 bis B8, entlang der Länge des Wellenleiters 1702. Der Leser wird feststellen, dass die Mitte des Bildes 1752 frei bleibt. 17C zeigt den nullten bis neunten Licht-„Bounce“- oder Reflexionspunkt, B0 bis B8, innerhalb des Hohlleiters. Obwohl das Licht, das sich auf alle Punkte des Bildes (V1-V8) bezieht - d. h., Licht von jedem der acht holografischen Lichtkanäle H1 bis H8 - bei jedem „Abprall“ von der zweiten ebenen Oberfläche des Wellenleiters 1708 aus dem Wellenleiter übertragen wird, hat nur das Licht von einem Winkelteil des Bildes (z. B. Licht von einem der Kanäle H1 bis H8, das einem bestimmten Bildteil V1 bis V8 entspricht) eine Flugbahn, die es ihm ermöglicht, das Auge 1705 von jedem jeweiligen „Abprall“-Punkt B0 bis B8 zu erreichen. Darüber hinaus erreicht in dieser Ausführungsform das Licht eines anderen Kanals - und damit das Licht eines jeweils anderen Winkelteils des Bildes (V1 bis V8) - das Auge 1705 von jedem jeweiligen „Bounce“-Punkt aus. 17C zeigt, wie das Licht aller verschiedenen holografischen Lichtkanäle an jedem „Bounce“-Punkt emittiert wird (dargestellt durch eine Vielzahl von kurzen Pfeilen an jedem Übertragungspunkt), zeigt dann aber nur den optischen Weg des jeweiligen Kanals zum Auge 1705, der einem eindeutigen jeweiligen Bildteil (d. h. einem eindeutigen jeweiligen Winkelbildinhalt) entspricht, der das Auge 1705 von diesem Bounce-Punkt tatsächlich erreicht. Der Kanal, dessen optischer Pfad für jeden Abprallpunkt als das Auge erreichend angezeigt wird, ist der Kanal, der einen entsprechenden Teil des virtuellen Bildes aus dem entsprechenden Teil des Wellenleiters beisteuern wird. Zum Beispiel wird das vom Wellenleiter 1708 durchgelassene Licht beim nullten Abprallpunkt, B0, einfach gebrochen und erfährt darin keine Reflexionen. Das Licht des achten holografischen Kanals, H8, erreicht das Auge vom nullten Bounce, B0. Beim nächsten Bounce B1 durchläuft das vom Wellenleiter 1702 übertragene Licht vor der Übertragung einen Bounce in diesem. Das Licht des siebten Hologramms, H7, erreicht das Auge beim nächsten AbprallB1.. Dies setzt sich der Reihe nach fort, bis das Licht, das vom Wellenleiter 1708 beim letzten Abprall B8 übertragen wird, acht Abprallvorgänge durchlaufen hat, bevor es übertragen wird und das Auge 1705 erreicht, und das Licht umfasst, das gemäß dem ersten Hologramm H1 kodiert ist. Bei dieser Anordnung erreicht das Licht aus jedem Kanal den Betrachter gleichzeitig, und zwar jeweils aus einer Vielzahl von verschiedenen Abprallpunkten auf dem Wellenleiter. Auf diese Weise empfängt der Betrachter das holografische Licht, das dem gesamten virtuellen Bild entspricht, gleichzeitig, ohne sein Auge zu bewegen oder sonstige Veränderungen vorzunehmen, obwohl sein Auge und das Anzeigegerät relativ klein sind und der Betrachtungsabstand relativ groß ist. 17C Figure 12 shows a total of nine "bounce" points, B0 through B8, along the length of waveguide 1702. The reader will note that the center of image 1752 remains blank. 17C shows the zeroth through ninth light "bounce" or reflection points, B0 through B8, within the waveguide. Although the light relating to all points of the image (V1-V8) - ie, light from each of the eight holographic light channels H1 to H8 - is transmitted out of the waveguide at each "bounce" off the second planar surface of the waveguide 1708, only the light from an angular part of the image (e.g. light from one of the channels H1 to H8 corresponding to a certain image part V1 to V8) has a trajectory that allows it to focus the eye 1705 from each respective "bounce" reach point B0 to B8. Furthermore, in this embodiment, light from a different channel - and hence light from a different angular portion of the image (V1 through V8) - reaches the eye 1705 from each respective "bounce" point. 17C shows how the light of all different holographic light channels is emitted at each "bounce" point (represented by a multitude of short arrows at each transmission point), but then only shows the optical path of each channel to the eye 1705 corresponding to a unique respective part of the image (ie, a unique respective angle image content) actually reaching the eye 1705 from that bounce point. The channel whose optical path is indicated as reaching the eye for each bounce point is the channel that will contribute a corresponding part of the virtual image from the corresponding part of the waveguide. For example, the light transmitted by waveguide 1708 is simply refracted at the zero bounce point, B0, and experiences no reflections therein. The light from the eighth holographic channel, H8, reaches the eye from the zeroth bounce, B0. At the next bounce B1, the light transmitted by the waveguide 1702 undergoes a bounce therein before transmission. The light from the seventh hologram, H7, reaches the eye on the next bounce B1. This continues in sequence until the light transmitted by the waveguide 1708 on the last bounce B8 has gone through eight bounces before being transmitted and the Reaches eye 1705 and includes light encoded according to first hologram H1. With this arrangement, the light from each channel reaches the viewer simultaneously, each from a plurality of different bounce points on the waveguide. In this way, the viewer receives the holographic light corresponding to the entire virtual image at the same time without moving his eye or making any other changes, although his eye and the display device are relatively small and the viewing distance is relatively large.

In dem in den 17A bis 17C gezeigten Beispiel erreicht das Licht nur eines Bildbereichs das Auge von jedem Rückprallpunkt. Daher wird eine räumliche Korrelation zwischen den Bereichen des virtuellen Bildes und dem zugehörigen Reflexionspunkt auf dem Wellenleiter hergestellt, wenn das Hologramm wie hier beschrieben bestimmt wird. In einigen anderen Beispielen kann es relativ kleine Überschneidungen geben, so dass ein Bereich des Bildes von zwei benachbarten Übertragungspunkten stammt und somit in zwei benachbarten Lichtscheiben enthalten ist, die sich vom Wellenleiter in Richtung der Betrachtungsebene ausbreiten.In the in the 17A until 17C In the example shown, the light of only one image area reaches the eye from each rebound point. Therefore, a spatial correlation is established between the regions of the virtual image and the associated point of reflection on the waveguide when determining the hologram as described herein. In some other examples, there may be relatively small overlaps such that a portion of the image originates from two adjacent transmission points and is thus contained in two adjacent light sheets propagating from the waveguide towards the viewing plane.

So können die von den Erfindern gemachten Erkenntnisse und die hier offenbarten Verfahren und Anordnungen es ermöglichen, ein diffraktives Muster (oder Lichtmodulationsmuster) zu erzeugen, das ein Hologramm umfasst, das, wenn es auf einem LCOS oder einer anderen geeigneten Anzeigevorrichtung angezeigt wird, es ermöglichen kann, dass das räumlich modulierte Licht effektiv in einer Vielzahl von „Scheiben“ oder Kanälen holografischen Lichts abgestrahlt wird, von denen jeder einem anderen Teil des entsprechenden virtuellen Bildes entspricht (genauer gesagt, kodiert). Thus, the findings made by the inventors and the methods and arrangements disclosed herein may make it possible to generate a diffractive pattern (or light modulation pattern) comprising a hologram which, when displayed on an LCOS or other suitable display device, make it possible that the spatially modulated light is effectively emitted in a plurality of "slices" or channels of holographic light, each corresponding to (more specifically, encoded) a different part of the corresponding virtual image.

Daher werden hier verbesserte Verfahren und Anordnungen offenbart, die es ermöglichen, Hologramme zu berechnen und auf einer geeigneten Anzeigevorrichtung so darzustellen, dass ein Betrachter klare Bilder sehen kann, wenn die Anzeigevorrichtung von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet wird. Die Bilder, die der Betrachter sieht, können frei von Geisterbildern sein und können, zumindest in einigen Ausführungsformen, durch den Beitrag von Licht, das normalerweise zu einem Geisterbild beigetragen hätte, heller werden und stattdessen zu dem einzigen Hauptbild beitragen. Darüber hinaus ermöglichen sie es dem Betrachter, ein Bild, z. B. ein virtuelles Bild, in einer endlichen Entfernung von der Anzeigevorrichtung (und nicht im Unendlichen) zu sehen, obwohl die Anzeigevorrichtung und die Sichtöffnung(en) des Betrachters (d. h. die Augen) relativ klein sind und der Betrachtungsabstand relativ groß ist.Therefore, improved methods and arrangements are disclosed herein that allow holograms to be computed and displayed on a suitable display device such that a viewer can see clear images when the display device is illuminated by a suitable light source. The images that the viewer sees may be ghost-free and, in at least some embodiments, may be brightened by the contribution of light that would normally have contributed to a ghost and instead contribute to the single main image. In addition, they allow the viewer to see an image, e.g. a virtual image, is seen at a finite distance from the display (rather than infinity), even though the display and the viewer's viewing aperture(s) (i.e., the eyes) are relatively small and the viewing distance is relatively large.

Die hier offenbarten verbesserten Verfahren und Anordnungen können in Echtzeit durchgeführt und beispielsweise sehr schnell wiederholt werden, um Änderungen der Lage/Position der Sichtöffnung zu berücksichtigen. Sie können für mehr als eine Sichtöffnung implementiert werden, beispielsweise für zwei Augen. Sie können wiederholt werden, zum Beispiel auf einer sehr schnellen Basis, um die Anzeige einer Vielzahl von verschiedenen Hologrammen zu ermöglichen, und damit die Betrachtung einer Vielzahl von verschiedenen entsprechenden Bildern, in Folge und/oder in einer Sequenz, Serie, Muster oder Schleife.The improved methods and arrangements disclosed herein can be performed in real time and, for example, repeated very quickly to account for changes in the location/position of the viewing port. They can be implemented for more than one viewing port, for example two eyes. They can be repeated, for example on a very rapid basis, to enable a variety of different holograms to be displayed and thus viewed a plurality of different corresponding images, in succession and/or in a sequence, series, pattern or loop.

Die hier beschriebenen verbesserten Methoden und Anordnungen können in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen und Sichtsysteme eingesetzt werden. Zum Beispiel können sie in einem Head-up-Display (HUD) implementiert werden. Eine Verbesserung gegenüber vielen herkömmlichen HUDs, bei denen virtuelle Bilder im unendlichen Bereich erzeugt werden, besteht darin, dass die hier offenbarten verbesserten Verfahren und Anordnungen so implementiert werden können, dass virtuelle Bilder in endlichen Bildabständen erzeugt werden, die von einer geeigneten Steuerung ausgewählt und eingestellt werden können, während gleichzeitig Geisterbilder vermieden werden.The improved methods and arrangements described herein can be used in a variety of different applications and vision systems. For example, they can be implemented in a head-up display (HUD). An improvement over many conventional HUDs that generate virtual images in the infinite range is that the improved methods and arrangements disclosed herein can be implemented to generate virtual images at finite image intervals selected and adjusted by an appropriate controller can be achieved while at the same time avoiding ghost images.

Obwohl hier von virtuellen Bildern die Rede ist, bei denen das Auge das empfangene modulierte Licht umwandeln muss, um ein wahrgenommenes Bild zu erzeugen, können die hier offenbarten verbesserten Verfahren und Anordnungen auch auf reale Bilder angewandt werden.Although virtual images are discussed here, in which the eye must convert the received modulated light in order to produce a perceived image, the improved methods and arrangements disclosed herein can also be applied to real images.

Zusätzliche MerkmaleAdditional characteristics

Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen elektrisch aktivierten LCOS-Raumlichtmodulator, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Lehren der vorliegenden Offenbarung können auch auf jedem anderen räumlichen Lichtmodulator implementiert werden, der in der Lage ist, ein computergeneriertes Hologramm in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung darzustellen, wie z. B. elektrisch aktivierte SLMs, optisch aktivierte SLMs, digitale Mikrospiegelgeräte oder mikroelektromechanische Geräte.The exemplary embodiments relate to an electrically activated LCOS spatial light modulator, to give just one example. The teachings of the present disclosure can also be implemented on any other spatial light modulator capable of displaying a computer generated hologram in accordance with the present disclosure, such as. B. electrically activated SLMs, optically activated SLMs, digital micromirror devices or microelectromechanical devices.

In einigen Fällen ist die Lichtquelle ein Laser, z. B. eine Laserdiode.In some cases the light source is a laser, e.g. B. a laser diode.

Das System der vorliegenden Offenbarung kann verwendet werden, um ein verbessertes Head-up-Display (HUD) oder eine am Kopf befestigte Anzeige bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das das holographische Projektionssystem umfasst, das in dem Fahrzeug installiert ist, um ein HUD bereitzustellen. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, wie z. B. einen Pkw, Lkw, Transporter, Lastkraftwagen, ein Motorrad, einen Zug, ein Flugzeug, ein Boot oder ein Schiff handeln.The system of the present disclosure may be used to provide an enhanced head-up display (HUD) or head-mounted display. In some embodiments, a vehicle is provided that includes the holographic projection system installed in the vehicle to provide a HUD. The vehicle can be a motor vehicle such. B. act a car, truck, van, truck, motorcycle, train, plane, boat or ship.

Die Qualität der holografischen Rekonstruktion kann durch das so genannte Null-Ordnung-Problem beeinträchtigt werden, das sich aus der diffraktiven Natur der Verwendung eines pixelierten räumlichen Lichtmodulators ergibt. Solches Licht nullter Ordnung kann als „Rauschen“ betrachtet werden und umfasst zum Beispiel spiegelnd reflektiertes Licht und anderes unerwünschtes Licht vom SLM.The quality of the holographic reconstruction can be affected by what is known as the zero-order problem, which arises from the diffractive nature of using a pixelated spatial light modulator. Such zero-order light can be considered "noise" and includes, for example, specularly reflected light and other unwanted light from the SLM.

In einigen Ausführungsformen wird nur das primäre Wiedergabefeld verwendet, und das System umfasst physische Blöcke, wie z. B. Ablenkplatten, die so angeordnet sind, dass sie die Ausbreitung der Wiedergabefelder höherer Ordnung durch das System einschränken.In some embodiments, only the primary playfield is used and the system includes physical blocks, such as e.g. B. Baffles arranged to restrict the propagation of the higher order display fields through the system.

In einigen Fällen erfolgt die holografische Rekonstruktion in Farbe. In einigen Ausführungsformen wird für die farbige holografische Rekonstruktion ein Ansatz verwendet, der als räumlich getrennte Farben („SSC“) bekannt ist. In anderen Ausführungsformen wird ein Ansatz verwendet, der als „Frame Sequential Colour“ (FSC) bekannt ist.In some cases, the holographic reconstruction is done in color. In some embodiments, an approach known as spatially separated colors ("SSC") is used for color holographic reconstruction. In other embodiments, an approach known as Frame Sequential Color (FSC) is used.

Bei der SSC-Methode werden drei räumlich voneinander getrennte Anordnungen von lichtmodulierenden Pixeln für die drei einfarbigen Hologramme verwendet. Ein Vorteil des SSC-Verfahrens ist, dass das Bild sehr hell sein kann, da alle drei holografischen Rekonstruktionen gleichzeitig erstellt werden können. Wenn jedoch aus Platzgründen die drei räumlich getrennten Anordnungen von lichtmodulierenden Pixeln auf einem gemeinsamen SLM vorgesehen sind, ist die Qualität jedes Einfarbenbildes suboptimal, da nur eine Teilmenge der verfügbaren lichtmodulierenden Pixel für jede Farbe verwendet wird. Dementsprechend wird ein relativ niedrig aufgelöstes Farbbild erzeugt.The SSC method uses three spatially separated arrays of light modulating pixels for the three single color holograms. An advantage of the SSC method is that the image can be very bright since all three holographic reconstructions can be created at the same time. However, if, for reasons of space, the three spatially separated arrays of light modulating pixels are provided on a common SLM, the quality of each single color image will be sub-optimal, since only a subset of the available light modulating pixels will be used for each color. Accordingly, a relatively low-resolution color image is produced.

Bei der FSC-Methode können alle Pixel eines gemeinsamen räumlichen Lichtmodulators verwendet werden, um die drei einfarbigen Hologramme nacheinander anzuzeigen. Die einfarbigen Rekonstruktionen werden so schnell durchlaufen (z. B. rot, grün, blau, rot, grün, blau usw.), dass ein menschlicher Betrachter ein polychromes Bild aus der Integration der drei einfarbigen Bilder wahrnimmt. Ein Vorteil von FSC ist, dass das gesamte SLM für jede Farbe verwendet wird. Das bedeutet, dass die Qualität der drei erzeugten Farbbilder optimal ist, da alle Pixel des SLM für jedes der Farbbilder verwendet werden. Ein Nachteil der FSC-Methode besteht jedoch darin, dass die Helligkeit des zusammengesetzten Farbbildes um einen Faktor von etwa 3 geringer ist als bei der SSC-Methode, da jedes einfarbige Beleuchtungsereignis nur während eines Drittels der Bildzeit auftreten kann. Dieser Nachteil ließe sich möglicherweise durch eine Übersteuerung der Laser oder durch den Einsatz leistungsstärkerer Laser beheben, was jedoch mehr Energie erfordert und zu höheren Kosten und einer Vergrößerung des Systems führt.With the FSC method, all the pixels of a common spatial light modulator can be used to sequentially display the three monochromatic holograms. The monochromatic reconstructions are swept through so rapidly (e.g., red, green, blue, red, green, blue, etc.) that a human viewer perceives a polychrome image from the integration of the three monochromatic images. An advantage of FSC is that the entire SLM is used for each color. This means that the quality of the three color images produced is optimal since all the pixels of the SLM are used for each of the color images. A disadvantage of the FSC method, however, is that the brightness of the composite color image is about a factor of 3 lower than that of the SSC method, since each monochromatic illumination event can only occur during a third of the image time. Overdriving the lasers or using more powerful lasers could possibly overcome this disadvantage, but this requires more energy and increases the cost and size of the system.

In den Beispielen wird die Beleuchtung des SLM mit sichtbarem Licht beschrieben, aber der Fachmann wird verstehen, dass die Lichtquellen und das SLM auch verwendet werden können, um z. B. infrarotes oder ultraviolettes Licht zu leiten, wie hier offenbart. Dem Fachmann sind beispielsweise Techniken bekannt, mit denen infrarotes und ultraviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt werden kann, um die Informationen einem Benutzer zur Verfügung zu stellen. Die vorliegende Offenbarung erstreckt sich beispielsweise auf die Verwendung von Leuchtstoffen und/oder Quantenpunkttechnologie zu diesem Zweck.The examples describe the illumination of the SLM with visible light, but the Those skilled in the art will understand that the light sources and the SLM can also be used to e.g. B. to conduct infrared or ultraviolet light as disclosed herein. For example, techniques are known to those skilled in the art for converting infrared and ultraviolet light into visible light in order to make the information available to a user. For example, the present disclosure extends to the use of phosphors and/or quantum dot technology for this purpose.

In einigen Ausführungsformen werden holografische 2D-Rekonstruktionen nur als Beispiel beschrieben. In anderen Ausführungsformen ist die holografische Rekonstruktion eine holografische 3D-Rekonstruktion. Das heißt, in einigen Ausführungsformen bildet jedes computergenerierte Hologramm eine holografische 3D-Rekonstruktion.In some embodiments, 2D holographic reconstructions are described by way of example only. In other embodiments, the holographic reconstruction is a 3D holographic reconstruction. That is, in some embodiments, each computer generated hologram forms a 3D holographic reconstruction.

Die hier beschriebenen Methoden und Prozesse können auf einem computerlesbaren Medium verkörpert werden. Der Begriff „computerlesbares Medium“ umfasst ein Medium, das zur vorübergehenden oder dauerhaften Speicherung von Daten eingerichtet ist, wie z. B. Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), Pufferspeicher, Flash-Speicher und Cache-Speicher. Der Begriff „computerlesbares Medium“ umfasst auch jedes Medium oder eine Kombination mehrerer Medien, das in der Lage ist, Befehle zur Ausführung durch eine Maschine zu speichern, so dass die Befehle, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, die Maschine veranlassen, eine oder mehrere der hierin beschriebenen Methoden ganz oder teilweise durchzuführen.The methods and processes described herein may be embodied on a computer-readable medium. The term "computer-readable medium" includes a medium adapted for the temporary or permanent storage of data, such as B. random access memory (RAM), read only memory (ROM), buffer memory, flash memory and cache memory. The term "computer-readable medium" also includes any medium, or combination of media, capable of storing instructions for execution by a machine such that the instructions, when executed by one or more processors, cause the machine to to carry out one or more of the methods described herein in whole or in part.

Der Begriff „computerlesbares Medium“ umfasst auch Cloud-basierte Speichersysteme. Der Begriff „computerlesbares Medium“ umfasst unter anderem einen oder mehrere greifbare und nicht transitorische Datenspeicher (z. B. Datenvolumina) in der beispielhaften Form eines Festkörperspeicherchips, einer optischen Platte, einer Magnetplatte oder einer geeigneten Kombination davon. In einigen Ausführungsbeispielen können die Ausführungsbefehle über ein Trägermedium übermittelt werden. Beispiele für ein solches Trägermedium sind ein transientes Medium (z. B. ein sich ausbreitendes Signal, das Anweisungen übermittelt).The term "computer-readable medium" also includes cloud-based storage systems. The term "computer-readable medium" includes, but is not limited to, one or more tangible and non-transitory data stores (e.g., data volumes) in the exemplary form of a solid-state memory chip, an optical disk, a magnetic disk, or any suitable combination thereof. In some embodiments, the execution instructions may be communicated via a carrier medium. Examples of such a carrier medium are a transient medium (e.g. a propagating signal conveying instructions).

Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne dass der Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst alle Modifikationen und Variationen innerhalb des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the scope of the appended claims. The present disclosure includes all modifications and variations within the scope of the appended claims and their equivalents.

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Claims (17)

Diffraktive Struktur, die so angeordnet ist, dass sie Licht, das durch ein Betrachtungssystem in ein Bild umgewandelt werden kann, räumlich moduliert, wobei die diffraktive Struktur so konfiguriert ist, dass sie Licht in eine Vielzahl von Hologrammkanälen leitet, wobei jeder Hologrammkanal einem anderen Teil des Bildes entspricht.Diffractive structure arranged to spatially modulate light that can be converted into an image by a viewing system, the diffractive structure being configured to direct light into a plurality of hologram channels, each hologram channel being a different part corresponds to the picture. Diffraktive Struktur nach Anspruch 1, die so angeordnet ist, dass sich die Hologrammkanäle von der diffraktiven Struktur in jeweils unterschiedlichen Winkeln ausbreiten.Diffractive structure after claim 1 , which is arranged in such a way that the hologram channels propagate from the diffractive structure at different angles. Diffraktive Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Hologrammkanal im Wesentlichen räumlich moduliertes Licht entsprechend einem jeweils unterschiedlichen Teil des Bildes umfasst.Diffractive structure after claim 1 or 2 , each hologram channel comprising substantially spatially modulated light corresponding to a different part of the image. Diffraktive Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die so beschaffen ist, dass sie die Phase des Lichts räumlich moduliert.A diffractive structure as claimed in any preceding claim arranged to spatially modulate the phase of the light. Diffraktive Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die so angeordnet ist, dass sie Licht durch einen Wellenleiter leitet.A diffractive structure as claimed in any preceding claim arranged to direct light through a waveguide. Diffraktive Struktur nach Anspruch 5, wobei der Wellenleiter für eine Pupillenerweiterung eingerichtet ist.Diffractive structure after claim 5 , wherein the waveguide is set up for pupil dilation. Diffraktive Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Querschnittsform des durch jeden Hologrammkanal formbaren Lichtmusters im Wesentlichen der Form einer Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems entspricht.Diffractive structure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the cross-sectional shape of the light pattern shapeable by each hologram channel corresponds substantially to the shape of an entrance aperture of the viewing system. Diffraktive Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hologrammkanäle räumlich getrennt oder zumindest teilweise räumlich getrennt sind.Diffractive structure according to one of the preceding claims, wherein the hologram channels are spatially separated or at least partially spatially separated. System mit der diffraktiven Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einem Wellenleiter, der so angeordnet ist, dass er das räumlich modulierte Licht von der diffraktiven Struktur empfängt, und einem Betrachtungssystem, das so angeordnet ist, dass es das räumlich modulierte Licht über den Wellenleiter empfängt.System with the diffractive structure according to one of Claims 1 until 8th , a waveguide arranged to receive the spatially modulated light from the diffractive structure, and a viewing system arranged to receive the spatially modulated light via the waveguide. System nach Anspruch 9, das so beschaffen ist, dass das Licht jedes Hologrammkanals einen anderen optischen Weg von der diffraktiven Struktur zum Betrachtungssystem nimmt.system after claim 9 , which is designed in such a way that the light of each hologram channel takes a different optical path from the diffractive structure to the viewing system. System nach Anspruch 10, wobei die verschiedenen optischen Pfade eine unterschiedliche Anzahl von Reflexionen innerhalb des Wellenleiters umfassen.system after claim 10 , where the different optical paths involve a different number of reflections within the waveguide. System nach Anspruch 10 oder 11, wobei die verschiedenen optischen Pfade unterschiedliche Längen aufweisen.system after claim 10 or 11 , where the different optical paths have different lengths. System nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem die verschiedenen optischen Pfade in jeweils unterschiedlichen Winkeln durch die Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems verlaufen.system after claim 10 , 11 or 12 , in which the various optical paths pass through the entrance aperture of the viewing system at different angles. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Wellenleiter so angeordnet ist, dass alle Hologrammkanäle durch die Eingangsöffnung des Betrachtungssystems an jeder Betrachtungsposition in einer Betrachtungsebene geführt sind.system according to one of the Claims 10 until 13 , wherein the waveguide is arranged such that all hologram channels pass through the entrance aperture of the viewing system at each viewing position in a viewing plane. System nach Anspruch 14, bei dem der Wellenleiter jeden Hologrammkanal nur über einen optischen Pfad zum Betrachtungssystem für jede zulässige Betrachtungsposition leitet.system after Claim 14 , in which the waveguide guides each hologram channel over only one optical path to the viewing system for each allowed viewing position. System nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei sich mindestens zwei Hologrammkanäle aus der Vielzahl der Hologrammkanäle an der Eintrittsöffnung des Betrachtungssystems teilweise überlappen.system according to one of the claims 9 until 15 , wherein at least two hologram channels from the plurality of hologram channels partially overlap at the entrance aperture of the viewing system. Diffraktive Struktur oder diffraktives System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die diffraktive Struktur eine Kinoform oder ein Hologramm ist.Diffractive structure or diffractive system according to one of the preceding claims, wherein the diffractive structure is a kinoform or a hologram.
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